CN111113488A - 一种机器人碰撞检测装置及碰撞检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人碰撞检测装置及碰撞检测的方法，机器人碰撞检测装置由保护罩、旋转调整平台、微机电***类型的加速度测量单元和锁紧螺钉组成；通过调整碰撞检测装置与机器人之间的连接部分和旋转调整平台可以实现微机电***类型的加速度测量单元坐标系与机器人坐标系之间的标定；利用微机电***类型的加速度测量单元和带阻滤波器可实现机器人末端加速度信息的测量；结合所获得的机器人末端加速度信息、机器人的运动学及其微分模型可实现机器人的碰撞检测。本发明的机器人碰撞检测装置及碰撞检测的方法能够在尽量降低***成本的基础上有效提升机器人的碰撞检测能力。

Description

一种机器人碰撞检测装置及碰撞检测的方法

技术领域

本发明涉及一种机器人碰撞检测装置和碰撞检测的方法。

背景技术

人机交互过程中机器人的安全性能至关重要，而机碰撞检测能力直接决定了机器人的安全性能。目前机器人碰撞检测普遍采用的方法可分为三种，即基于电流环的碰撞检测、基于关节力矩传感器的碰撞检测和基于电子皮肤的碰撞检测。基于电流环的碰撞检测是在对机器人动力学模型进行辨识的基础上结合电流环力矩反馈信息估计出机器人受到的外力，并判断机器人是否发生碰撞；基于关节力矩传感器的碰撞检测是直接根据关节力矩传感器的反馈信息估计出机器人所受到的外力，并判断机器人是否发生碰撞；基于电子皮肤的碰撞检测是根据机器人表面电子皮肤中的压力传感器检测信息估计出机器人是否受到外力，并判断机器人是否发生碰撞。

然而，由于机器人的复杂动力学模型难以得到精确辨识，所以基于电流环的碰撞检测方法灵敏度不高且可靠性难以得到保障。此外，由于力矩传感器和电子皮肤价格昂贵，大批量的在机器人当中使用将会造成成本的急剧上升，因此基于关节力矩传感器的碰撞检测和基于电子皮肤的碰撞检测方法难以广泛应用。

价格相对便宜的微机电***类型的加速度测量单元可准确测量出***的空间三维加速度信息，目前已经广泛运用在移动机器人的惯性导航当中，为移动机器人的部分运动感知功能提供了良好的解决方案。但其在工业、协作和医疗机器人等领域的碰撞检测功能中还未有成熟的运用，目前缺乏基于微机电***类型的加速度测量单元的机器人碰撞检测装置，以及该装置在机器人***中的快速标定方法，同时缺乏基于微机电***类型的加速度测量单元的机器人***振动特性识别方法以及完善的机器人碰撞检测方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种机器人碰撞检测装置及碰撞检测方法。基于微机电***类型的加速度测量单元设计相关装置以及检测方法，实现机器人的碰撞检测和避免功能。

本发明机器人碰撞检测装置，由保护罩2、旋转调整平台3和微机电***类型的加速度测量单元4组成。所述旋转调整平台3底部设有安装轴，所述保护罩设有腔室，腔室底部设轴孔，旋转调整平台3的安装轴套装于保护罩的轴孔中，旋转调整平台3与保护罩2同轴心安装。旋转调整平台3的轴肩端面与保护罩2的腔室底面贴合，旋转调整平台3固定于保护罩2腔室内。所述微机电***类型的加速度测量单元4固装于旋转调整平台3上，其中心位于旋转调整平台3的轴线上。

碰撞检测装置可通过螺纹与机器人的末端实现自由连接和拆卸。

使用本发明装置进行机器人碰撞检测的方法，其步骤是：

碰撞检测装置安装在机器人的末端。

步骤1.碰撞检测装置与机器人之间的坐标标定

由微机电***类型的加速度测量单元获得自身坐标系O′-y′z′x′下所表示的机器人的末端加速度矢量a′_I＝[a′_Ix,a′_Iy,a′_Iz]^T的测量值。

首先，驱动机器人的末端运动使其轴线与机器人坐标系O-xyz中的z轴平行，并微调保护罩与机器人的连接部分使得a′_Iz与-g(g＝9.81m/s²)之差小于设定值。其次，驱动机器人末端沿坐标系O-xyz的x轴方向往返运动，通过微调旋转调整平台使得a′_Iy趋向于0。最后，当前述两个条件成立时，可认为微机电***类型的加速度测量单元的坐标系O′-x′y′z′与机器人坐标系O-xyz 对齐，实现了碰撞检测装置与机器人间的坐标系标定。

步骤2结合机器人的振动特性和带阻滤波器，对碰撞检测装置微机电***类型的加速度测量单元4测量数据滤波

对机器人工作空间进行离散化，在每一个离散点处使用锤击等激振方式对机器人的末端进行激振，并对微机电***类型的加速度测量单元所记录的加速度信号a′_I进行快速傅里叶变换分析，获得该离散点处机器人的一阶固有频率f，进而获得整个工作空间中一阶固有频率f的分布情况，并确定其最大值f_max和最小值f_min，最终得到机器人一阶固有频率f的带宽范围[f_min,f_max]。

使用带阻滤波器消除机器人的一阶固有振动特性对于微机电***类型的加速度测量单元测量结果的影响。其中，带阻滤波器的阻带带宽范围与机器人的一阶固有频率f的带宽范围相同，通带带宽范围可根据实际***是否存在其它干扰信号设定，通带最大衰减和阻带最小衰减可根据实际信号的幅值需求设置，最终获得滤波后的加速度信号a′_If＝BandStopFilter(a′_I)，其中BandStopFilter()表示带阻滤波器函数。

步骤3机器人的碰撞检测

结合机器人的Denavit–Hartenberg(DH)参数和各个关节位置θ_i(1<i<n,n为机器人自由度)，通过坐标系间的旋转变换，获得在机器人坐标系O-yzx下所表示的末端加速度矢量 a_If＝[a_Ifx,a_Ify,a_Ifz]^T的测量值，即a_If＝Ra′_If，其中R表示由微机电***类型的加速度测量单元坐标系O′-y′z′x′到机器人坐标系O-yzx的旋转变换。

结合运动学及其微分模型获得机器人的末端加速度

其中θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_n]^T、

和

分别为机器人的关节位置、速度和加速度矢量，J(θ)为机器人的雅可比矩阵，

为机器人的雅可比微分矩阵。

根据实际灵敏度需求设定碰撞检测阈值ε，当|a_cx-a_Ifx|＞ε、|a_cy-a_Ify|＞ε或 |a_cz-a_Ifz|＞ε任一条件成立时，认为机器人与外界发生碰撞，此时机器人立即执行刹车指令。当|a_cx-a_Ifx|＞ε且|a_cy-a_Ify|＞ε且|a_cz-a_Ifz|＞ε均成立时，认为机器人未与外界环境发生碰撞，此时机器人继续执行原有运动指令。

本发明机器人碰撞检测装置及检测方法，较现有基于力矩传感器的碰撞检测方案和基于电子皮肤的碰撞检测方案极大地节约了成本，并克服了以往基于电流环的碰撞检测方案因所辨识动力学模型不准确所造成的碰撞检测功能灵敏度和可靠度不高的问题。本发明所采取的碰撞检测装置与机器人间的坐标标定方法，可快速准确的完成碰撞检装置在机器人***中的初始标定工作。本发明结合机器人的振动特性和带阻滤波器，建立了碰撞检测装置的滤波方法，可有效降低机器人低阶固有振动特性对于碰撞检测装置测量信号的影响。

附图说明

图1是本发明机器人碰撞检测装置结构示意图结构示意图。

图2是本发明机器人碰撞检测装置***示意图。

图3是本发明机器人碰撞检测装置在机器人当中的安装结构示意图。

图4是本发明机器人碰撞检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明方法作进一步详细说明。

如图1和图2所示，所述碰撞检测装置1由保护罩2、旋转调整平台3、微机电***类型的加速度测量单元4和锁紧螺钉5组成。所述旋转调整平台3底部设有安装轴，所述保护罩2设有腔室，腔室底部设轴孔，旋转调整平台3的安装轴套装于保护罩2的轴孔中，旋转调整平台3与保护罩2 同轴心安装。旋转调整平台3的轴肩端面与保护罩2的腔室底面贴合，旋转调整平台3通过锁紧螺钉5固定于保护罩2腔室内。所述微机电***类型的加速度测量单元4固装于旋转调整平台3 上，其中心位于旋转调整平台3的轴线上。碰撞检测装置1通过螺纹与机器人6的末端实现自由连接和拆卸。

使用所述碰撞检测装置1进行机器人6的碰撞检测时，所需采取的具体步骤如下：

步骤1碰撞检测装置1与机器人6之间的坐标系标定

如图2～3所示，通过微机电***类型的加速度测量单元4可获得其自身坐标系O′-x′y′z′下所表示的机器人6的末端加速度矢量a′_I＝[a′_Ix,a′_Iy,a′_Iz]^T。为完成碰撞检测装置1与机器人6之间的坐标系标定，需采用如下步骤：

首先，驱动机器人6的末端运动，使其轴线与机器人6坐标系O-xyz中的z轴平行。当机器人6 静止时，假设微机电***类型的加速度测量单元4坐标系中的z′轴与机器人6坐标系中的z轴平行，则受重力加速度的影响有a′_Iz＝-g(g＝9.81m/s²)。当发现上述条件存在较大误差时，需微调保护罩2与机器人6的螺纹连接部分，直至a′_Iz与-g之差小于设定值，此时可认为z′轴与z轴基本平行。

其次，驱动机器人6末端沿坐标系O-xyz的x轴方向进行往返运动，通过微调旋转调整平台3 使得a′_Iy趋向于0，此时可认为x′轴与x轴基本平行。

最后，当z′轴和x′轴分别与z轴和x轴基本平行时，可认为y′轴和y轴也基本保持平行。此时，微机电***类型的加速度测量单元4的坐标系O′-x′y′z′与机器人6的坐标系O-yzx基本对齐，从而完成了碰撞检测装置1与机器人6之间的坐标系标定过程。

步骤2结合机器人的振动特性和带阻滤波器，对微机电***类型的加速度测量单元测量数据进行滤波

为防止机器人6的低阶固有振动特性对测量得到的加速度信号a′_I产生较大影响，需对机器人6的低阶固有振动特性进行分析，并对加速度信号a′_I进行滤波处理。

首先，对机器人6的工作空间进行离散化(例如均匀离散为100个点)，并在每一个离散点使用锤击等激振方式对机器人6的末端进行激振。在每一次激振后，对微机电***类型的加速度测量单元4所记录的加速度信号进行快速傅里叶变换分析，进而获得机器人6在该采样点处的一阶固有频率f，最终获得工作空间中机器人6一阶固有频率f的分布情况。

其次，确定机器人工作空间中一阶固有频率f的最大值f_max和最小值f_min，最终得到一阶固有频率f的带宽范围[f_min,f_max]。

最后，使用带阻滤波器(如巴特沃斯带阻滤波器)消除机器人6的一阶固有频率对于微机电***类型的加速度测量单元4测量结果的影响。其中带阻滤波器的阻带带宽范围与机器人的一阶固有频率f的带宽范围相同，通带带宽范围可根据实际***是否存在其它干扰信号设定，通带最大衰减和阻带最小衰减可根据实际信号的幅值需求设置，最终获得滤波后的加速度信号 a′_If＝BandStopFilter(a′_I)，其中BandStopFilter()表示带阻滤波器函数。

步骤3机器人的碰撞检测

由于机器人6在实际工作过程中末端姿态会发生变化，进而导致微机电***类型的加速度测量单元4的坐标系O′-x′y′z′无法对齐于机器人坐标系O-xyz，此时需要进行坐标变换获得能够在机器人6坐标系中表示的末端加速度信息。

首先，基于机器人6的Denavit–Hartenberg(DH)参数和机器人6的各个关节位置θ_i(1<i<n, n为机器人自由度)，可通过坐标系间的旋转变换获得在机器人6坐标系O-xyz下所表示的末端加速度矢量a_If＝[a_Ifx,a_Ify,a_Ifz]^T，即a_If＝Ra′_If，其中R表示由微机电***类型的加速度测量单元4坐标系O′-x′y′z′到机器人6坐标系O-xyz的旋转变换。

其次，结合运动学及其微分模型可通过计算获得机器人6的末端加速度矢量

其中θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_n]^T、

和

分别为机器人6的关节位置、速度和加速度矢量，J(θ)为机器人6的雅可比矩阵，

为机器人6的雅可比微分矩阵。

最后，根据实际的灵敏度需求设定机器人6的碰撞检测阈值ε，当|a_cx-a_Ifx|＞ε、 |a_cy-a_Ify|＞ε或|a_cz-a_Ifz|＞ε任一条件成立时，认为机器人6与外界发生碰撞，此时机器人6立即执行刹车指令。当|a_cx-a_Ifx|＞ε且|a_cy-a_Ify|＞ε且|a_cz-a_Ifz|＞ε均成立时，认为机器人6未与外界环境发生碰撞，此时机器人继续执行原有运动指令。

Claims (2)

1.一种机器人碰撞检测装置，由保护罩(2)、旋转调整平台(3)和加速度测量单元(4)组成；其特征是：所述旋转调整平台底部设有安装轴，所述保护罩设有腔室，腔室底部设轴孔，旋转调整平台的安装轴套装于保护罩的轴孔中，旋转调整平台与保护罩同轴心安装；旋转调整平台的轴肩端面与保护罩的腔室底面贴合，旋转调整平台固定于保护罩腔室内；所述加速度测量单元固装于旋转调整平台上，其中心位于旋转调整平台3的轴线上。

2.一种使用权利要求1所述的机器人碰撞检测装置进行机器人碰撞检测的方法，其步骤是：

碰撞检测装置安装在机器人的末端；

步骤1.碰撞检测装置与机器人之间的坐标标定

由加速度测量单元获得自身坐标系O′-x′y′z′下所表示的机器人的末端加速度矢量a′_I＝[a′_Ix,a′_Iy,a′_Iz]^T的测量值；

假设碰撞检测装置不存在安装误差，当机器人处于静止时，受到重力加速度的影响有a′_Ix＝0,a′_Iy＝0,a′_Iz＝-g，其中g＝9.81m/s²；当上述条件存在较大误差时，首先微调保护罩与机器人的连接部分，使得a′_Iz与-g之差小于设定值；其次，驱动机器人末端沿其自身坐标系O-xyz的x轴方向往返运动，通过微调旋转调整平台使得a′_Iy趋向于0；最后，当前述两个条件成立时，则认为微机电***类型的加速度测量单元的坐标系O′-x′y′z′与机器人坐标系O-xyz对齐，实现了碰撞检测装置与机器人间的坐标系标定；

步骤2结合机器人的振动特性和带阻滤波器，对碰撞检测装置的加速度测量单元测量数据滤波

对工作空间进行离散化，在每一个离散点对机器人的末端进行激振，并对加速度测量单元所记录的加速度信号a′_I进行傅里叶变换分析，获得该离散点处机器人的一阶固有频率f，进而获得整个工作空间中一阶固有频率f的分布，确定其最大值f_max和最小值f_min，最终得到机器人一阶固有频率f的带宽范围[f_min,f_max]；

加速度测量单元使用带阻滤波器消除机器人的一阶固有振动特性对于加速度测量单元测量结果的影响，带阻滤波器的阻带带宽范围与机器人的一阶固有频率f的带宽范围相同，通带带宽范围可根据实际***是否存在其它干扰信号设定，通带最大衰减和阻带最小衰减可根据实际信号的幅值需求设置，最终获得滤波后的加速度信号a′_If＝BandStopFilter(a′_I)，其中BandStopFilter()表示带阻滤波器函数；

步骤3机器人的碰撞检测

结合机器人的Denavit–Hartenberg参数和各个关节位置θ_i，1<i<n,n为机器人自由度，通过坐标系间的旋转变换，获得在机器人坐标系O-xyz下所表示的末端加速度矢量a_If＝[a_Ifx,a_Ify,a_Ifz]^T的测量值，

a_If＝Ra′_If

其中R表示由加速度测量单元坐标系O′-x′y′z′到机器人坐标系O-xyz的旋转变换；

获得机器人末端加速度矢量的计算值

其中θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_n]^T、

和

分别为机器人的关节位置、速度和加速度矢量，J(θ)为机器人的雅可比矩阵，

为机器人6的雅可比微分矩阵；

设定碰撞检测阈值ε，

当|a_cx-a_Ifx|＞ε、|a_cy-a_Ify|＞ε或|a_cz-a_Ifz|＞ε任一成立时，判定机器人与外界环境发生碰撞，此时机器人6立即执行刹车指令

当|a_cx-a_Ifx|＞ε且|a_cy-a_Ify|＞ε且|a_cz-a_Ifz|＞ε成立时，判定机器人未与外界环境发生碰撞，此时机器人继续执行原有运动指令。

Images