间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法、系统和装置

本发明涉及一种六轴机械臂，特别是涉及一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法、一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测系统、一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测装置、一种间接参数自适应的六轴机械臂的控制方法。

背景技术：

1、人机协作作为工业机械臂智能化发展的一个重要方向，它结合了人的灵巧性以及机械臂高速、高精度重复的优势，大大提高了工业机械臂的适应性和智能性。在人机协作过程中，机械臂与人在一个空间内协同作业，当机械臂与人发生碰撞时，不仅会影响工作效率，严重的情况下更会对操作者的生命安全带来严重后果。为保障人和机械臂的安全性，机械臂需要具备碰撞检测能力。

2、目前，为降低系统的复杂性和硬件成本，常采用基于动力学模型的碰撞检测方法。然而，随着六轴工业机械臂应用领域的扩展，六轴机械臂的末端负载可随时随任务的改变而发生变化。负载的变化会导致较大的模型误差，使得现有的基于固定动力学模型的碰撞检测方法出现漏报或误报的问题。因此，如何有效消除负载变化带来的影响从而提升碰撞检测算法的准确性及鲁棒性是值得研究的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有的六轴机械臂由于负载变化，导致碰撞检测精度不高的问题，提供一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法、系统和装置。

2、本发明通过以下技术方案实现：一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法包括如下步骤：

3、s1：获取具有未知负载的六轴机械臂的物理模型。

4、s2：采集六轴机械臂的各个关节的运动数据，根据运动数据计算六轴机械臂的负载估计值。负载估计值的具体计算方法如下：

5、s21：构建自适应函数。自适应函数τl表达为：

6、

7、式中，为自适应回归矩阵，ε为模型预测误差。

8、s22：计算自适应律矩阵。自适应律矩阵采用以下公式计算：

9、

10、式中，u为遗忘因子，ρm为防止负载估计发散而设置的更新率上界，λmax为γl(t)的最大特征值。

11、s23：构建基于广义动量的间接参数自适应律，将运动数据作为输入，在间接参数自适应律中计算出负载估计值。负载估计值通过以下公式计算得到：

12、

13、

14、

15、式中，为自适应律估计速率的上界，为饱和函数，为投影映射函数，和分别为闭集的内部和边界。为时的指向外侧的单位法向量。

16、s3：获取外力观测器模型，将负载估计值、运动数据输入外力观测器模型中，得到外力估计值。

17、s4：判断每个关节的外力估计值是否小于一个预设的外力阈值，若存在任意一个关节的外力估计值超出外力阈值，则视为发生了碰撞。否则视为未发生碰撞。

18、上述碰撞检测方法通过构建基于广义动量的间接参数自适应律，实时采集各个关节的运动数据，有效地估计出负载的大小，并利用外力观测器模型计算出外力估计值。通过预估负载可以降低负载变化对外力估计的影响，使得外力估计值更加准确，同时设置较小的外力阈值范围可以有效实现碰撞的检测，提高了碰撞检测方法的准确性和鲁棒性，具有较强的实际应用价值。

19、在其中一个实施例中，六轴机械臂的物理模型表达为：

20、

21、式中，τ为关节驱动力矩，q、和分别表示关节角度、角速度和角加速度，m(q，βm，βl)为机械臂的惯性矩阵，为离心力与科氏力矩阵，g(q，βm，βl)为重力矩阵，为摩擦力，βm为机械臂本体的系统参数，βl为负载相关参数，βf为摩擦力相关参数，τe为碰撞力矩。

22、在其中一个实施例中，自适应函数的构建方法如下：

23、s211：定义广义动量为：对广义动量进行参数线性化，得到：

24、

25、式中，和分别表示通过广义动量求得的机械臂本体的系统参数集βm和负载参数集βl对应的回归矩阵。

26、s212：对广义动量求导并参数线性化，得到：

27、

28、式中，和分别表示通过广义动量的导数求得的机械臂本体的系统参数集βm、负载参数集βl和摩擦力参数βf对应的回归矩阵。

29、s213：令为βl的估计值并定义用于估计的模型预测误差，模型预测误差表达为：

30、

31、

32、式中，τf、分别为τ、经滤波器后的输出值，分别为经滤波器后的输出值。

33、s214：根据模型预测误差构建基于广义动量的自适应函数。

34、在其中一个实施例中，外力观测器模型表达为：

35、

36、

37、式中，为广义动量的负载估计值，r为外力矩的观测值，k1、k2和k3均为外力观测器的正定对角增益矩阵。

38、在其中一个实施例中，外力阈值设置为：

39、rmi＝τmaxi+τmari

40、式中，rmi为关节i对应的外力阈值，τmaxi为关节i自由运动且无碰撞时的最大干扰力矩，τmari为安全裕量。

41、本发明还提供一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测系统，检测系统包括采集模块、负载估计模块、外力观测器和碰撞信号生成模块。

42、采集模块用于采集六轴机械臂的运动数据。

43、负载估计模块用于：一、定义广义动量，对广义动量求导并参数线性化，得到回归矩阵。定义用于估计负载的模型预测误差，进而根据模型预测误差与回归矩阵构建自适应函数。自适应函数τl表达为：

44、

45、式中，为回归矩阵，ε为模型预测误差。

46、二、计算自适应律矩阵。自适应律矩阵γl采用以下公式计算：

47、

48、式中，u为遗忘因子，ρm为防止负载估计发散而设置的更新率上界，λmax为γl(t)的最大特征值。

49、三、计算负载估计值。负载估计值通过以下公式计算得到：

50、

51、式中，为自适应律估计速率的上界，为饱和函数，为投影映射函数。

52、外力观测器用于根据运动数据和负载估计值计算外力估计值。外力观测器表示为：

53、

54、

55、式中，为广义动量的负载估计值，ct、g、ff分别为g(q，βm，βl)、的简写，为离心力与科氏力矩阵，g(q，βm，βl)为重力矩阵，为摩擦力，r为外力矩的观测值，k1、k2和k3均为外力观测器的正定对角增益矩阵。

56、碰撞信号生成模块用于判断外力估计值是否超出一个预设的外力阈值，是则生成碰撞信号。

57、在其中一个实施例中，运动数据包括六轴机械臂的各个关节的实际角度、实际角速度和驱动力矩。

58、本发明还提供一种间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测装置，其包括存储器、处理器，以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，碰撞检测装置中的各功能模块采用如权利要求6至8中任意一项的间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测系统的方式完成部署，处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1至5中任意一项的间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法的步骤，实现对间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测，。

59、本发明还提供一种间接参数自适应的六轴机械臂的控制方法，该控制方法采用上述的间接参数自适应的六轴机械臂碰撞检测方法检测六轴机械臂是否发生碰撞，并在六轴机械臂发生碰撞时，控制六轴机械臂停止运行。

60、相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

61、本发明的碰撞检测方法通过构建基于广义动量的间接参数自适应律，实时采集各个关节的运动数据，有效地估计出负载的大小，并利用外力观测器模型计算出外力估计值。通过预估负载可以降低负载变化对外力估计的影响，使得外力估计值更加准确，同时设置较小的外力阈值范围可以有效实现碰撞的检测，提高了碰撞检测方法的准确性和鲁棒性，具有较强的实际应用价值。