CN109848995B - 一种工业机器人碰撞反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种工业机器人碰撞反应方法，机器人碰撞后，首先根据碰撞力的方向确定后退方向，再根据碰撞力和速度估算被撞物体的刚度和后退速度，然后结合初始坐标计算在笛卡尔空间和关节空间的后退轨迹，最后机器人进行后退动作。本发明根据被撞物体的不同刚度和碰撞位置采取不同的后退速度和后退方式，实现了工业机器人的控制***能够对检测到的碰撞做出及时、适当的碰撞反应，以避免可能造成的损害。

Description

一种工业机器人碰撞反应方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，尤其是一种工业机器人碰撞反应方法。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多自由度机械手或机器装置。工业机器人在焊接、磨抛、喷涂、搬运、装配等工业生产中的应用非常广泛。近些年来，随着工业机器人的应用范围越来越广，尤其是多机器人协作和人机协作的应用越来越多，人们对机器人安全性的要求越来越高。

当机器人检测与外界环境发生碰撞时，最简单的做法是马上停机，保持原位置不动，防止机器人继续运动而造成更严重的损害。但是，仅仅使机器人停机是不够的，由于机器人一般具有较大的刚度，当机器人与工件碰撞，或机器人末端的工件与工件碰撞，机器人检测到发生碰撞并及时停机时，可能会使得两者之间维持一个很大的接触力，进一步破坏工件。另外，当机器人与人员发生碰撞，并及时停机时，人员可能会被夹持，无法动弹，只能等到操作人员移动开机器人。在这期间，难免会使被撞人员受到进一步的损害。所以，当机器人检测到与外部环境发生碰撞时，简单的停机是不够的，必须做出及时、适当的碰撞反应。但是机器人的工作环境非常复杂，碰撞的种类也多种多样，一种可行的方法是建立机器人碰撞反应动作库，让用户自己根据实际的工况选择相应的反应动作。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种工业机器人碰撞反应方法，根据被撞物体的不同刚度和碰撞位置采取不同的后退速度和后退方式，实现了工业机器人的控制***能够对检测到的碰撞做出及时、适当的碰撞反应，以避免可能造成的损害。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种工业机器人碰撞反应方法，包括以下步骤：

步骤1：在上位机中设定工业机器人在碰撞后的后退距离或后退角位移，当工业机器人与外界物体发生碰撞时，采集并记录工业机器人的碰撞信息：记录在碰撞位置处的机器人末端所处的初始笛卡尔空间坐标P(x₀，y₀，z₀)、初始关节空间坐标Q(q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆)，以及工业机器人与外界物体之间的最大碰撞力F_e；

步骤2：确定工业机器人在笛卡尔空间内的后退方向为碰撞发生时被撞物体对工业机器人所施加的最大碰撞力的方向，即：

其中，r为工业机器人的后退方向矢量，F_ex，F_yx，F_zx为最大碰撞力F_e在笛卡尔空间上的分量，|F_e|为最大碰撞力大小；

步骤3：根据最大碰撞力和工业机器人的速度计算被撞物体的刚度估计值σ^*；

步骤4：根据被撞物体的刚度估计值σ^*计算工业机器人在碰撞后的后退速度v；

步骤5：根据工业机器人的初始笛卡尔空间坐标、后退方向和后退速度计算工业机器人在笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q，并控制工业机器人按照后退方向以后退速度沿笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q进行后退动作；

步骤6：当工业机器人后退了后退距离或后退角位移之后，停止动作并等待上位机的下一步命令。

进一步的，本发明的工业机器人碰撞反应方法，步骤1中通过安装在工业机器人末端的六维力传感器采集工业机器人与外界环境的碰撞力大小和方向。

进一步的，本发明的工业机器人碰撞反应方法，步骤3中刚度估计值σ^*的计算公式为：

其中，|F_e|为最大碰撞力的大小，v_r为碰撞发生时工业机器人碰撞位置的瞬时速度，t^*为碰撞力从零上升到最大值所用的时间。

进一步的，本发明的工业机器人碰撞反应方法，步骤4中后退速度v的计算公式为：

其中，K^*为调节系数，且K^*为正实数。

进一步的，本发明的工业机器人碰撞反应方法，步骤5中工业机器人在笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p的计算公式为：

关节空间内的后退轨迹q的计算公式为：

其中，

为发生碰撞的关节i坐标系至基坐标系的坐标变化矩阵；q∈R^6×1为工业机器人各关节的位置。

进一步的，本发明的工业机器人碰撞反应方法，K^*的取值范围为1×10^-5～1×10^-4。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的工业机器人碰撞反应方法能够根据被撞物体的不同刚度和碰撞位置自动设定不同的后退速度和后退方式，实现了工业机器人对碰撞做出及时、适当的碰撞反应，避免可能造成的损害；

2、本发明的工业机器人碰撞反应方法能够自定义后退距离，实现了根据实际工况调整后退距离；

3、本发明的工业机器人碰撞反应方法能够使得机器人避免在与人员碰撞后，对被撞人员的夹持情况发生。

附图说明

图1是本发明实施例1的工业机器人碰撞铝块的碰撞示意图；

图2是本发明实施例2的工业机器人碰撞木块的碰撞示意图；

图3是本发明实施例1的工业机器人碰撞铝块的碰撞力、速度示意图；

图4是本发明实施例2的工业机器人碰撞木块的碰撞力、速度示意图；

图5是本发明的工业机器人碰撞反应方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种工业机器人碰撞反应方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：在上位机中设定工业机器人在碰撞后的后退距离或后退角位移，当工业机器人与外界物体发生碰撞时，采集并记录工业机器人的碰撞信息：记录在碰撞位置处的机器人末端所处的初始笛卡尔空间坐标P(x₀，y₀，z₀)、初始关节空间坐标Q(q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆)，以及通过六维力传感器采集工业机器人与外界物体之间的最大碰撞力F_e；

步骤2：确定工业机器人在笛卡尔空间内的后退方向为碰撞发生时被撞物体对工业机器人所施加的最大碰撞力的方向，即：

其中，r为工业机器人的后退方向矢量，F_ex，F_yx，F_zx为最大碰撞力F_e在笛卡尔空间上的分量，|F_e|为最大碰撞力大小；

步骤3：根据最大碰撞力F_e和工业机器人的速度计算被撞物体的刚度估计值σ^*：

其中，|F_e|为最大碰撞力的大小，v_r为碰撞发生时工业机器人碰撞位置的瞬时速度，t^*为碰撞力从零上升到最大值所用的时间；

步骤4：根据被撞物体的刚度估计值σ^*计算工业机器人在碰撞后的后退速度v：

其中，K^*为调节系数，且K^*为正实数；

步骤5：根据工业机器人的初始笛卡尔空间坐标、后退方向和后退速度计算工业机器人在笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q：

其中，

为发生碰撞的关节i坐标系至基坐标系的坐标变化矩阵；q∈R^6×1为工业机器人各关节的位置；

并控制工业机器人按照后退方向以后退速度沿笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q进行后退动作；

步骤6：当工业机器人后退了后退距离之后，停止动作并等待上位机的下一步命令。

实施例1

本实施例以操作埃斯顿机器人工程有限公司的ER30型号工业机器人向笛卡尔空间内的z轴负方向运动为例进行具体说明，如图1所示，在工业机器人的运动路径上预先放置一个铝块，工业机器人在运动过程中与铝块发生碰撞，工业机器人末端装有六维力传感器，用于检测机器人与外界环境的碰撞力信息。

ER30工业机器人的DH参数如表1所示：

表1ER30机器人DH参数表

连杆i	α<sub>i-1</sub>(°)	a<sub>i-1</sub>(mm)	d<sub>i</sub>(mm)	θ<sub>i</sub>(°)
					1	0	0	412	0
2	90	200	0	90
					3	0	800	0	0
4	90	165	899	0
					5	-90	0	0	0
6	90	0	220	0

S1、记录工业机器人碰撞信息

当ER30机器人与铝块发生碰撞时，记录机器人末端此时所处的笛卡尔空间坐标P₁(825，50，623)，记录碰撞发生时机器人与铝块的最大碰撞力F_e1＝126N。

S2、确定工业机器人的后退方向

机器人的后退方向设置为：机器人在发生碰撞时，被撞物体对机器人施加最大碰撞力的方向。因此，碰撞发生后机器人的后退方向为：

S3、计算工业机器人后退速度

当机器人所撞物体刚度较大时，机器人易与物体维持较大的接触力，这个时候后退速度v要设置一个较大的值，使得接触力快速减小；当机器人所撞物体刚度较小时，机器人与物体维持的接触力较小，这个时候后退速度v要设置一个较小的值，防止速度过快发生其他碰撞。本例中铝块的刚度估计值σ^*计算得约为10³N/m，因此用铝块的刚度估计值σ^*乘一个调节系数K^*来决定机器人的后退速度，调节系数K^*设置为10^-4，计算得出机器人碰撞铝块的后退速度v₁＝0.1m/s。

S4、控制工业机器人后退

计算得到工业机器人的后退速度与方向后，根据工业机器人的逆解矩阵计算得到机器人的关节空间运动轨迹，即可控制机器人沿着最大碰撞力的方向后退。

如图3所示，机器人在碰撞铝块的反应实验中，采集到的碰撞力信息F_z，

以及机器人的运动速度v_z所绘制的曲线。在t₁时，控制***控制机器人停止z轴逆方向的运动，转化为沿z轴正方向运动，即碰撞的相反方向，远离被撞物体，后退的速度约为0.1m/s。

分析可知，当机器人与铝块发生碰撞时，如果机器人停止运动，保持在原位，机器人的碰撞部位会和铝块维持约为130N的接触力。但是采用本方法设定的碰撞反应动作能够使得机器人沿碰撞的相反方向后退，撤销机器人与被撞物体的接触，使得接触力能够在短时间内(约0.2s)下降到0，且机器人后退速度能够根据被撞物体的刚度估计值自动设置为一个合理的值(本例中为0.1m/s)，说明了本方法的碰撞反应能够及时、合理地减小碰撞发生后机器人与被撞物体的接触力。

实施例2

如图2所示，在工业机器人的运动路径上预先放置一个木块，工业机器人在运动过程中与木块发生碰撞。

S1、记录工业机器人碰撞信息

当ER30机器人与木块发生碰撞时，记录机器人末端此时所处的笛卡尔空间坐标P₂(825，50，635)，记录碰撞发生时机器人与木块的最大碰撞力F_e2＝143N。

S2、确定工业机器人的后退方向

机器人的后退方向设置为：机器人在发生碰撞时，被撞物体对机器人施加最大碰撞力的方向。因此，碰撞发生后机器人的后退方向为：

S3、计算工业机器人后退速度

被撞物体的刚度估计值σ^*计算得为7×10²N/m。调节系数K^*设置为10^-4，计算得出V₂＝0.07m/s。

S4、控制工业机器人后退

计算得到工业机器人的后退速度与方向后，可根据工业机器人的逆解矩阵计算得到机器人的关节空间运动轨迹，即可控制机器人沿着最大碰撞力的方向后退。

如图4所示，机器人在碰撞木块的反应实验中，采集到的碰撞力信息F_z，

以及机器人的运动速度v_z所绘制的曲线。在t₂时，控制***控制机器人停止z轴逆方向的运动，转化为沿z轴正方向运动，即碰撞的相反方向，远离被撞物体，后退的速度约为0.07m/s。

分析可知，当机器人与木块发生碰撞时，如果机器人停止运动，机器人的碰撞部位会和木块维持约为150N的接触力。但是采用本方法设定的碰撞反应动作，机器人沿碰撞的相反方向后退，使得接触力能够在约0.2s内下降到0，且机器人后退速度根据被撞物体的刚度估计值自动设置为0.07m/s，说明了本方法的碰撞反应能够及时、合理地减小碰撞发生后机器人与被撞物体的接触力。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在上位机中设定工业机器人在碰撞后的后退距离或后退角位移，当工业机器人与外界物体发生碰撞时，采集并记录工业机器人的碰撞信息：记录在碰撞位置处的机器人末端所处的初始笛卡尔空间坐标P(x₀，y₀，z₀)、初始关节空间坐标Q(q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆)，以及工业机器人与外界物体之间的最大碰撞力F_e；

步骤2：确定工业机器人在笛卡尔空间内的后退方向为碰撞发生时被撞物体对工业机器人所施加的最大碰撞力的方向，即：

其中，r为工业机器人的后退方向矢量，F_ex，F_yx，F_zx为最大碰撞力F_e在笛卡尔空间上的分量，|F_e|为最大碰撞力大小；

步骤3：根据最大碰撞力和工业机器人的瞬时速度计算被撞物体的刚度估计值σ^*；

步骤4：根据被撞物体的刚度估计值σ^*计算工业机器人在碰撞后的后退速度v；

步骤5：根据工业机器人的初始笛卡尔空间坐标、后退方向和后退速度计算工业机器人在笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q，并控制工业机器人按照后退方向以后退速度沿笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p和关节空间内的后退轨迹q进行后退动作；

步骤6：当工业机器人后退了后退距离或后退角位移之后，停止动作并等待上位机的下一步命令。

2.根据权利要求1所述的工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，步骤1中通过安装在工业机器人末端的六维力传感器采集工业机器人与外界环境的碰撞力大小和方向。

3.根据权利要求1所述的工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，步骤3中刚度估计值σ^*的计算公式为：

其中，|F_e|为最大碰撞力的大小，v_r为碰撞发生时工业机器人碰撞位置的瞬时速度，t^*为碰撞力从零上升到最大值所用的时间。

4.根据权利要求3所述的工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，步骤4中后退速度v的计算公式为：

其中，K^*为调节系数，且K^*为正实数。

5.根据权利要求4所述的工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，步骤5中工业机器人在笛卡尔空间内的后退轨迹⁰p的计算公式为：

关节空间内的后退轨迹q的计算公式为：

其中，

为发生碰撞的关节i坐标系至基坐标系的坐标变化矩阵；q∈R^6×1为工业机器人各关节的位置。

6.根据权利要求4所述的工业机器人碰撞反应方法，其特征在于，K^*的取值范围为1×10^-5～1×10^-4。

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