CN107775639B - 一种基于电流法的机器人防碰撞方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流法的机器人防碰撞方法与***。该方法包括获取驱动电机工作电流值，然后将工作电流值与对应的标准电流值‑位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果，根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞。该***包括用于获取驱动电机工作电流值的电流模块、用于将工作电流值与标准电流值做比较的比较模块和用于判断机器人是否发生故障的判断模块。本发明通过获取驱动电机工作电流大小即可快速判断机器人对应部位是否发生碰撞，使得一旦机器人发生碰撞时能及时采取措施，从而实现对机器人的自动化监控，保障生命财产安全。本发明广泛应用于机器人技术领域。

Description

一种基于电流法的机器人防碰撞方法与***

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种基于电流法的机器人防碰撞方法与***。

背景技术

随着中国制造2025的加速推进，机器人在各行各业中的应用越来越多，出现了井喷式的增长，同时机器人的使用安全事故也是时有发生，这是因为，机器人通常包括有基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等多个执行机构，为了保证机器人的灵活性，一般会设置多个电机分别驱动这些执行机构，使得这些执行机构可以***，各个执行机构的独立运动组成机器人整体的动作，实现机器人的丰富功能，但由于机器人执行机构众多，增加了机器人与机器人之间、机器人内部各部位之间发生碰撞的概率。一旦机器人发生碰撞，有可能严重损害生命财产安全。总之，机器人作为重要的生产工具，必须对其实行有效的监测，一旦其发生碰撞或者有发生碰撞的危险，就要及时采取停机等安全措施，保障生命财产安全。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种基于电流法的机器人防碰撞方法，第二目的在于提供一种基于电流法的机器人防碰撞***。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种基于电流法的机器人防碰撞方法，包括以下步骤：

控制器获取每一个驱动电机的工作电流值；

所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果；

所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞。

进一步地，所述标准电流值-位置对应关系具体为标准电流值-位置曲线。

进一步地，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较这一步骤之前，还设有获取标准电流值-位置曲线这一步骤。

进一步地，所述获取标准电流值-位置曲线这一步骤，具体包括：

命令机器人在标准工况下工作；

在机器人至少一个完整工作周期内，控制器持续采集每一个驱动电机的标准电流值，然后记录在机器人一个完整工作周期内每一个驱动电机标准电流值以及对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置散点图；

分别将每一个标准电流值-位置散点图拟合成各条曲线，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置曲线。

进一步地，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

所述控制器分别将各个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线中对应机器人部位所处位置点上的标准工作电流值相减，从而得到各个电流差值，所得的各个电流差值作为所需得到的各个电流比对结果。

进一步地，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

控制器持续采集并记录每一个驱动电机的工作电流值及其对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图；

将每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图拟合得到各个工作电流值-位置曲线；

计算每一个工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线之间的相似度；

将各个相似度作为所需获得的各个电流比对结果。

进一步地，所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞这一步骤，具体为：

所述控制器判断各个相似度是否在预设范围内，若是，则判定对应的机器人部位没有发生碰撞；反之，则判定对应的机器人部位发生碰撞。

进一步地，所述相似度为皮尔逊相关系数。

进一步地，所述皮尔逊相关系数的计算公式为：

式中，X为对工作电流值-位置曲线进行抽样得到的工作电流值集合，Y为对标准电流值-位置曲线进行抽样得到的标准电流值集合，N为样本数。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种基于电流法的机器人防碰撞***，包括：多个驱动电机，所述多个驱动电机分别对应连接有驱动器，所述驱动器连接有控制器；

所述控制器用于获取每一个驱动电机的工作电流值，然后分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果，接着，根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞。

本发明的第一有益效果是：通过本发明方法，只需要获取驱动电机工作电流大小即可快速判断机器人对应部位是否发生碰撞，实现自动化监控，使机器人发生碰撞时能及时采取停机等排除故障措施，避免生命财产损失。

进一步，通过本发明方法，机器人具备了稳定、可靠的判断各部位是否发生碰撞的参考标准，提高判断速度、降低误判率。

本发明的第二有益效果是：通过本发明***，只需要获取驱动电机工作电流大小即可快速判断机器人对应部位是否发生碰撞，实现自动化监控，使机器人发生碰撞时能及时采取停机等排除故障措施，避免生命财产损失。

附图说明

图1为本发明机器人防碰撞方法的流程图；

图2为机器人的控制原理图；

图3为实施例中第三电机的标准电流值-位置散点图；

图4为实施例中第三电机的标准电流值-位置曲线；

图5为实施例中第三电机的工作电流值-位置曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明公开的技术方案，下面结合实施例和附图作进一步说明。

实施例1

本发明公开的一种基于电流法的机器人防碰撞方法，如图1所示，包括以下步骤：

控制器获取每一个驱动电机的工作电流值；

所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果；

所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞。

上述方法的原理为：机器人包括有基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等多个部位，这些部位也称执行机构，设置多个电机分别驱动这些执行机构，因此，一个机器人设有多个驱动电机，如图2所示，比如用于驱动手臂的第一电机，用于驱动手腕的第二电机，用于驱动机器人行走的第三电机等，而且每个驱动电机都由对应的驱动器驱动，因此驱动器可以获取到它所驱动的驱动电机的工作电流大小。各个驱动器通过伺服总线与控制器连接，控制器与各个驱动器通过伺服总线进行通信，从而读取各个驱动电机的工作电流大小等数据，以及向各个驱动器发送指令。

机器人不同部位的工作环境和负荷不同，机器人不同部位的驱动电机的工作电流大小也就不同。在机器人发生碰撞时，相应驱动电机的正常转动被阻碍，会造成相应的电机工作电流发生变化，偏离正常工作电流。因此，机器人控制器从各电机的驱动器中获取机器人身上各个驱动电机工作电流大小，将其与预存的各个驱动电机各自对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，得到各个电流比对结果，这些电流比对结果便是各个驱动电机的实际工作电流大小偏离各自对应的标准工作电流大小的程度，即各个驱动电机的工作电流状态异常程度，从而可以分析出各个驱动电机的工作状态，由驱动电机的工作状态可以得知机器人各部位是否发生碰撞，比如，在本实施例中，监测到第二电机工作状态不正常，便可以定位到机器人的手腕发生碰撞，方便工作人员排除故障。

值得指出的是，由于机器人部位发生碰撞、驱动电机故障、机器人关节故障、机器人被异物阻挡等异常情况都会造成相应驱动电机工作电流状态异常，而本发明是通过监测各个驱动电机的工作电流大小来实现的，因此本发明中的“机器人碰撞”并不局限于机器人或其部位发生碰撞，还包括了驱动电机本身故障和/或机器人关节故障和/或机器人被异物阻挡等机器人异常情况或者其他机器人故障。

进一步作为优选的实施方式，控制器判断机器人各部位是否发生碰撞后，还可以将判断结果，远程发送至监控端，使得监控端的设备或者工作人员可以得知机器人碰撞情况并及时做出处理，实现对机器人的远程监控。

进一步作为优选的实施方式，在所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤之前，还设有获取标准电流值-位置曲线这一步骤。

标准电流值-位置对应关系，是机器人在标准工况下工作时每个机器人部位所处的位置或者行程与相应驱动电机的电流值的对应关系。由于机器人在工作时，按用户设定的程序运行，每个循环都是重复相同的动作和流程，在每个循环中的相同位置点机器人的负重、运行轨迹、运行速度、加速度是完全相同的，所以每个驱动电机的电流在每个循环的相同位置点是相同的。事先将机器人在标准工况下工作时每个机器人部位所处的位置或者行程与相应驱动电机的电流值的对应关系记录储存起来，其可以是表格形式，也可以是散点图形式，还可以是曲线形式或者其他形式。采用曲线形式表示的标准电流值-位置对应关系，即标准电流值-位置曲线，更加直观且在数学上更易处理，因此优选采用标准电流值-位置曲线作为标准电流值-位置对应关系。

进一步作为优选的实施方式，所述获取标准电流值-位置曲线这一步骤，具体包括：

命令机器人在标准工况下工作；

在机器人至少一个完整工作周期内，控制器持续采集每一个驱动电机的标准电流值，然后记录在机器人一个完整工作周期内每一个驱动电机标准电流值以及对应的机器人部位所处位置，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置散点图；

分别将每一个标准电流值-位置散点图拟合成各条曲线，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置曲线。

上述方法中标准工况是指实验室理想实验条件或者确认机器人各部位、各驱动电机和生产环境等均处于正常状态，将标准工况下机器人工作时各驱动电机的工作电流定为参考的标准。在生产过程中，机器人是按用户设定的程序运行，每个循环都是重复相同的动作和流程，即在每个循环中的相同位置点机器人的负重、运行轨迹、运行速度、加速度是完全相同的，所以正常情况下每个驱动电机工作电流大小在每个循环的相同位置点是相同的，只需获取机器人一个完整工作周期内的工作信息即可。机器人在标准工况下工作，各个驱动器持续采集对应驱动电机标准电流值，并实时上传到控制器，控制器通过安装在机器人各部位的传感器获知各部位的位置，控制器将接收到的各驱动电机标准电流大小与对应的采集位置点记录并存储起来，得到各个驱动电机的标准电流值-位置对应关系，将此关系在以位置轴为横轴、标准电流值为纵轴的直角坐标系上表示出来，便得到各个驱动电机的标准电流值-位置散点图。

图3为在一个生产程序中标准工况下测得的用于驱动机器人行走的第三电机的标准电流值-位置散点图。在这个生产程序中，机器人行走部所处位置以其行程表示。机器人行走部一个完整工作周期的行程为S，机器人在标准工况下开始工作后，控制器通过安装在机器人行走部上的传感器获得机器人行走部的行程，机器人行走部每到达预定的行程位置，控制器便将通过驱动器采集到的第三电机的标准电流值以及对应的位置点记录下来。在一个完整工作周期内采样点越多，所得的标准电流值-位置散点图便越接近一条连续的曲线。由于在数据处理中曲线比散点图更便于分析，因此，需要将第三电机的标准电流值-位置散点图通过数学上的处理，将其拟合成一条连续的曲线，得到第三电机的标准电流值-位置曲线。

将标准电流值-位置散点图拟合成标准电流值-位置曲线的方法有多种，作为一种优选的实施方式，分别将每一个标准电流值-位置散点图中沿位置轴相邻的两点用线段连接，从而得到各条由线段连接成的曲线，分别作为所需得到的每一个驱动电机的标准电流值-位置曲线。

对图3所示的第三电机的标准电流值-位置散点图进行拟合，得到图4所示的第三电机的标准电流值-位置曲线。

进一步作为优选的实施方式，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

所述控制器分别将各个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线中对应位置点上的标准工作电流大小作差，从而得到各个电流差值，所得的各个电流差值作为所需得到的各个电流比对结果。

以用于驱动机器人行走的第三电机为例对上述方法作进一步说明。第三电机的驱动器在机器人工作周期的起始位置获取到第三电机工作电流大小为14.8A并将其实时上传到控制器，控制器接收到后，根据安装在机器人行走部的传感器可知14.8A对应的采集位置点为机器人工作周期的起始位置，即行程为0处，从图4所示的第三电机的标准电流值-位置曲线寻找对应点，得知这个位置点第三电机的标准电流值应为15A。将测得的第三电机工作电流值14.8A与对应位置点的标准电流值的大小15A作差得到0.2A，这个电流差值0.2A为第三电机在这个位置点上的电流比对结果。第三电机的驱动器保持持续获取第三电机在每个预设的机器人行走部位置点的工作电流值并实时上传到控制器，控制器便能按照上述方法得到第三电机在每个机器人行走部位置点的电流比对结果，实现对第三电机的实时监控。

进一步作为优选的实施方式，上述方法以电流差值作为电流比对结果，可以设定对应的阈值，判断电流比对结果是否处于正常范围内，从而确定对应驱动电机的工作电流值是否正常。例如，事先设定第三电机的电流差值不能超过对应标准工作电流值的5％，上述实施例中在机器人工作周期的起始位置测得的电流差值为0.2A、标准工作电流值为15A，0.2/15＝1.3％<5％，表明在这个位置点上第三电机的工作电流值是正常的，第三电机驱动的机器人行走部位没有发生碰撞。

当第三电机的驱动器的采样频率足够大时，例如驱动器在机器人行走部每行走1cm便进行一次工作电流值的采样，那么控制器在机器人行走部每行走1cm便能得到一个第三电机的电流比对结果，如果机器人的行走部在某个位置点发生碰撞，控制器获知碰撞情况后迅速向第三电机下达停机指令，行走部从发生碰撞到停止行走这段时间内行走的行程不会超过1cm，碰撞未致严重后果，从而实现机器人防碰撞功能。

上述方法考虑了在每个机器人部位特定位置点上对应的驱动电机工作电流值的瞬时值是否正常，但是工业应用中各驱动电机受到多方面影响，在机器人没有发生碰撞的情况下其工作电流值可能在某些时刻发生跳动，造成控制器的误判。为了避免这种情况，本发明提出了另外一种解决方法。

进一步作为优选的实施方式，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置对应关系进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

控制器持续采集并记录每一个驱动电机的工作电流值及其对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图；

将每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图拟合得到各个工作电流值-位置曲线；

计算每一个工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线的相似度；

将各个相似度作为所需获得的各个电流比对结果。

上述方法是对通过各驱动电机工作电流值瞬时值判断各驱动电机是否正常方法的改进，对各驱动电机工作电流值的考察由机器人部位的单个位置点拓宽到机器人部位的一个行程段。上述方法使用了与得到标准电流值-位置曲线类似的方法，即在实际生产环境下，先通过采样得到每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图，再将其拟合成工作电流值-位置曲线，具体为：机器人实际生产时，各驱动器不断实时获取并向控制器上传各个驱动电机工作电流值，而控制器根据传感器，将各个驱动电机工作电流值以及对应采集位置点对应起来得到各个驱动电机工作电流值-位置关系，这些驱动电机工作电流值-位置关系在以位置为横轴、工作电流值为纵轴的直角坐标系中便为各个工作电流值-位置散点图。将工作电流值-位置散点图拟合成曲线便得到工作电流值-位置曲线。各个驱动电机的工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线在数学上是相似的，分别截取相同位置段内的同一个驱动电机的工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线，便可以计算它们的相似度。通过以上方法计算得到的相似度，反映了每一个机器人部位在一个行程段内对应驱动电机的工作电流值-位置曲线相对于对应的标准电流值-位置曲线的偏离程度，显然偏离程度越小，表明驱动电机越接近最正常工作状态。因此计算得到的相似度可以作为电流比对结果用于判断驱动电机对应机器人部位是否发生碰撞。

下面以更具体的实施例对上述方法作详细说明。

图5为一个与图4相同的生产程序中实际生产情况下测得的用于驱动机器人行走的第三电机的工作电流值-位置曲线，机器人一个完整工作周期的行程为S＝30m。应用上述方法，可以从图4中截取0-S/3位置段内的标准电流值-位置曲线，以及从图5中截取0-S/3位置段内的工作电流值-位置曲线进行图像相似度的计算；也可以从图4中截取S/3-2S/3位置段内的标准电流值-位置曲线，以及从图5中截取S/3-2S/3位置段内的工作电流值-位置曲线进行图像相似度的计算。当然，也可以截取其他的位置段内的曲线，从图4截取出来的曲线与从图5截取出来的曲线，其对应的位置段起点和终点相同即可。优选的实施方式是对机器人一个完整工作周期内的驱动电机的工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线进行考察，计算它们的相似度。

进一步作为优选的实施方式，所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞这一步骤，具体为：

所述控制器判断各个相似度是否在预设范围内，若是，则判定对应的机器人部位没有发生碰撞；反之，则判定对应的机器人部位发生碰撞。

进一步作为优选的实施方式，所述各个相似度为每一个工作电流-位置曲线与对应标准电流值-位置曲线的皮尔逊相关系数。

进一步作为优选的实施方式，所述皮尔逊相关系数的计算公式为：

式中，X为对工作电流值-位置曲线进行抽样得到的工作电流值集合，Y为对标准电流值-位置曲线进行抽样得到的标准电流值集合，N为样本数。

皮尔逊相关系数属于数理统计方法，其反映了两个变量的相似程度。将皮尔逊相关系数应用到本发明中，可以求得驱动电机工作电流-时间图像与其标准电流值-位置曲线的相似度。

具体方法是：

将工作电流值-位置曲线中的工作电流值视为一个变量，对应的标准电流值-位置曲线中的标准电流值视为另一变量，分别对两个变量进行N次抽样，分别得到N个样本。对工作电流值抽样得到的N个样本组成集合X，对标准电流值抽样得到的N个样本组成集合Y，然后代入上述公式中求得驱动电机的工作电流-时间图像与标准电流值-位置曲线的皮尔逊相关系数ρ_X,Y，从而得到两条曲线的相似度。所得的皮尔逊相关系数ρ_X,Y，作为电流比对结果。

实施例2

本发明公开的一种基于电流法的机器人防碰撞***，如图2所示，包括：多个驱动电机，所述多个驱动电机分别对应连接有驱动器，所述驱动器连接有控制器；

所述控制器用于获取每一个驱动电机的工作电流值，然后分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果，接着，根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞。

本***可以实现本发明基于电流法的机器人防碰撞方法，包括实施例1中的方法。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制器获取每一个驱动电机的工作电流值；

所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果；

所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞；

所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

控制器持续采集并记录每一个驱动电机的工作电流值及其对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图；

将每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图拟合得到各个工作电流值-位置曲线；

计算每一个工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线之间的相似度；

将各个相似度作为所需获得的各个电流比对结果。

2.根据权利要求1所述一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较这一步骤之前，还设有获取标准电流值-位置曲线这一步骤。

3.根据权利要求2所述一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述获取标准电流值-位置曲线这一步骤，具体包括：

命令机器人在标准工况下工作；

在机器人至少一个完整工作周期内，控制器持续采集每一个驱动电机的标准电流值，然后记录在机器人一个完整工作周期内每一个驱动电机标准电流值以及对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置散点图；

分别将每一个标准电流值-位置散点图拟合成各条曲线，从而得到每一个驱动电机的标准电流值-位置曲线。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述控制器分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果这一步骤，具体包括：

所述控制器分别将各个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线中对应机器人部位所处位置点上的标准工作电流值相减，从而得到各个电流差值，所得的各个电流差值作为所需得到的各个电流比对结果。

5.根据权利要求1所述的一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述控制器根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞这一步骤，具体为：

所述控制器判断各个相似度是否在预设范围内，若是，则判定对应的机器人部位没有发生碰撞；反之，则判定对应的机器人部位发生碰撞。

6.根据权利要求1所述的一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述相似度为皮尔逊相关系数。

7.根据权利要求6所述的一种基于电流法的机器人防碰撞方法，其特征在于，所述皮尔逊相关系数的计算公式为：

式中，X为对工作电流值-位置曲线进行抽样得到的工作电流值集合，Y为对标准电流值-位置曲线进行抽样得到的标准电流值集合，N为样本数。

8.一种基于电流法的机器人防碰撞***，其特征在于，包括：多个驱动电机，所述多个驱动电机分别对应连接有驱动器，所述驱动器连接有控制器；

所述控制器用于获取每一个驱动电机的工作电流值，然后分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果，接着，根据各个电流比对结果，判断机器人各部位是否发生碰撞；

所述分别将每一个驱动电机的工作电流值与对应的标准电流值-位置曲线进行比较，从而得到各个电流比对结果，具体包括：

控制器持续采集并记录每一个驱动电机的工作电流值及其对应的机器人部位位置，从而得到每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图；

将每一个驱动电机的工作电流值-位置散点图拟合得到各个工作电流值-位置曲线；

计算每一个工作电流值-位置曲线与对应的标准电流值-位置曲线之间的相似度；

将各个相似度作为所需获得的各个电流比对结果。

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