机械工业：机器人碰撞保护

　　机械工业：机器人碰撞保护

　　机器人的广泛应用带来了很多安全性问题，其中碰撞问题居多[[1]]。由于工业机器人自由度多、运行功率大、动作复杂且工作环境差，机器人在不可预料的情况下，容易与周围的物体发生碰撞，损坏机械手或物件。此外，如果机器人与工作人员发生碰撞，将伤害工作人员，后果非常严重[[2]]。而在操作人员操作机器人的过程中，机器人与操作人员的接触是不可避免的，因此碰撞检测技术，作为关乎机器人操作人员和机器人安全的一道重要保障尤为重要[[3],[4]]。也只有实现者项技术，机器人才能在无人监管的情况下安全运行。从经济效益来看，这项技术提高了机器人的使用寿命，减少了成本，推动了机器人行业的发展。

　　虽然机器人碰撞保护研究已经取得了一定的成就，但还有不少难题需要克服，尤其是对一些工业机器人，采用传感器成本高，故机器人碰撞保护研究远未结束。

　　目前安全控制算法主要采用的力控制算法，可通过力控算法在检测到碰撞后限制机器人碰撞力的大小，实现碰撞保护[[5],[6]]。Lee等[[7]]通过广义动量观测器观测机器人关节外力矩，一旦发生碰撞便限制力矩，从而保护机器人和障碍物。但是该方法无法保证检测良好的稳定性。de Luca等[[8],[9]]基于能量、动量对机器人进行碰撞检测，检测效果较号，但该算法难以保证碰撞检测的实时性和准确性。南京航天航空大学李林峰[[10]]通过测量机器人任意位置下各关节重力矩和摩擦力矩，对机器人各关节进行力矩补偿，然后根据力矩偏离量判断机器人是否发生碰撞，实现了碰撞保护。机器人各关节相互之间都有力作用，测量工作繁锁，因此这种方法不适用于工业生产环境。

　　本文通过建立机器人动力学参数辨识模型，辨识动力学参数，进而预测力矩，实时对机器人关节进行力矩控制，根据理论力矩和实际力矩的偏离量判断机器人是否发生碰撞，实现了机器人碰撞保护，效果较好，降低了机器人生产成本。

　　1 机器人动力学参数辨识

　　1.1机器人动力学模型

　　工业机器人带摩擦力的关节力矩表达式为

　　（1）

　　上式中，——机器人关节角度矢

　　量，角速度矢量和角加速度矢量；

　　——机器人惯性矩阵，对称

　　且正定矩阵；

　　——机器人哥氏矩阵，矢

　　量包含了运动方程中的哥氏力和离心力项；

　　——作用于关节的外力，包括重力和其它外力，如粘性摩擦力等；

　　——关节的驱动力矩；

　　——摩擦力项。

　　本文采用经典的库仑摩擦+粘滞摩擦模型。则对于一个n自由度的工业机器人来说，待辨识的基本参数集共有12个。第i个关节的12个参数如下所示。

　　（2）

　　故整个工业机器人的全部参数如下所示。

　　（3）

　　至此，带摩擦力的动力学模型为：

　　（4）

　　上式是未进行线性化的动力学模型，利用适当的线性变换，最终的动力学模型是关于动力学参数的线性方程组。

　　（5）

　　上式中，——关于的非线性矩阵，即动力学参数辨识矩阵，

　　——进过线性变换后的动力学基本参数集。

　　式（1-8）中的H矩阵并非满秩，这表明动力学基本参数集中，有一些参数对机器人关节力矩值无影响。

　　将线性化的动力学基本参数集简化为最小参数集。

　　（6）

　　上式中，——关于的机器人动力学参数的回归矩阵。

　　——分析中的动力学无关项，重组后求得的最小参数集。

　　1.2基于外部扰动力矩估计的碰撞保护

　　如果给定机器人关节角位移，速度和加速度分别为：，则根据动力学模型可得外部扰动力矩的估计模型为

　　其中，是机器人实际运行时的动力学模型。

　　是本文给出的力矩计算模型。

　　给机器人外部扰动力矩设置置信限，一旦扰动力矩超出置信限，机器人立即停止运行。

　　2 机器人碰撞保护

　　2.1碰撞保护试验步骤

　　1）根据动力学模型给出外部扰动力矩的计算模型。

　　2）将采集处理后的关节角度、速度、加速度、力矩和识别出的动力学参数带入到动力学模型中计算出关节力矩。

　　3）计算出机器人各关节实际力矩与计算力矩的误差，即外部扰动力矩，确定合适的控制置信限。

　　4）在搭建好的东控自动化机器人平台上进行碰撞试验。

　　5) 如果试验中机器人无法检测到外部碰撞，则检查外部扰动力矩的计算模型是否有误，或者控制置信限设置偏大。

　　6）根据Matlab中的外部扰动力矩估计模型程序编辑C++底层程序，再结合rPAC studio工业编程软件，最终在东控协作机器人上试验。

　　碰撞试验的流程如图1所示：

　　图1 碰撞保护试验流程

　　实验中首先使机器人按一定轨迹运行采集实际关节力矩和关节角度数据，然后对关节数据滤波，并使用中心差分法得到关节速度和加速度，带入到建立的机器人外部扰动力矩观测模型中，最后求出外部扰动力矩，确定合适的控制置信限。根据Matlab中的模型和设置的控制置信限编写c++底层程序，并制作成功能块，然后在rPAC studio软件中编程调用功能块，最后在机器人平台上进行试验。在实施基于外部扰动力矩的碰撞保护算法时，六个关节驱动力矩和六个关节位置必须实时被提取到算法中进行计算，并且判断机器人发生碰撞与否。

　　2.2试验平台的搭建

　　如图2所示，碰撞试验所用的机器人系统由东控协作机器人本体、电控柜和PC机组成。电控柜内置rPAC-540控制器实时提供机器人关节的瞬时驱动力矩和关节角度数据。为碰撞保护算法的实施提供可靠准确的数据来源。实验过程中一旦机器人发生碰撞，则机器人由于外部扰动力矩的限制，立即停止工作，防止危险进一步扩大。

　　图2 东控协作机器人系统

　　2.3试验结果及分析

　　如图3所示，经过数据滤波后，根据机器人正常运行状态下实际力矩与预测力矩的偏离量确定阈值，一旦发生碰撞，偏离量突破设定的阈值，控制器立即发出指令，对机器人进行力矩限制，使机器人停止运作，进而保护机器人。

　　图3 碰撞发生前外部扰动力矩

　　实验中，设置置信度为0.999999，可得到机器人后三个关节的控制置信限，如表1所示。

　　表1 机器人后三关节控制置信限

　　1)试验一如图4所示，模拟机器人夹住工件上行时与人或物件发生刚性碰撞。

　　（a）t=0.5s （b）t=1s

　　（c）t=1.5s （d）t=2s

　　图4机器人刚性碰撞试验

　　机器人与外界发生刚性碰撞时，外部扰动力矩如图5所示。从图中可以看出关节四至关节六都存在尖端毛刺现象，并且这些尖端毛刺超出了设置的置信区间。三个关节外部扰动力矩较小且力矩值相近，由此可以推断发生碰撞时，三个关节中有一个关节的外部扰动力矩首先超过了检测阈值，触发了机器人碰撞保护。

　　图5刚性碰撞下的外部扰动力矩

　　2)试验二如图6所示，模拟机器人夹住工件左移时与人或物件发生柔性碰撞。

　　（a）t=0.5s （b）t=1s

　　（c）t=1.5s （d）t=2s

　　图6机器人柔性碰撞试验

　　机器人与外界发生柔性碰撞时，外部扰动力矩如图7所示。从图中可以看出机器人关节四在1.5s处存在尖端毛刺现象，但并未超出设置的置信区间；关节五在1.5s处的尖端毛刺突破了置信区间；关节六在1.5s处的尖端毛刺反向突破了置信区间。由上述现象可推断机器人在1.5s时由关节五或关节六超过了设置的检测阈值，促使机器人自动保护。

　　图7柔性碰撞下的外部扰动力矩

　　3)试验三如图8所示，模拟机器人夹住工件下行时与人或物件发生轻微碰撞。

　　（a）t=0.5s （b）t=1s

　　（c）t=1.5s （d）t=2s

　　图8机器人轻微碰撞试验

　　机器人与外界发生轻微碰撞时，外部扰动力矩如图9所示。从图中可以看出机器人关节四存在尖端毛刺现象但并未突破置信区间，而关节五和关节六的尖端毛刺均超出了置信区间。由此可得机器人关节五或关节六触发了碰撞检测阈值，实现了碰撞保护。

　　图9轻微碰撞下的外部扰动力矩

　　总结以上三组试验，机器人关节四对于刚性碰撞敏感度较高，而柔性碰撞和轻微碰撞很难检测。关节五和关节六对于刚性碰撞、柔性碰撞和轻微碰撞均能检测，实现碰撞保护。

　　3 结论

　　机器人与人协作是机器人应用的必然趋势。本文首先建立了机器人动力学参数辨识模型，并给出机器人外部扰动力矩估计模型，从而预测力矩，实现机器人的力矩控制，然后基于力矩控制确定机器人碰撞检测的阈值，对机器人进行碰撞检测，防止危险进一步扩大，保护了机器人，实验证明本文研究的碰撞保护方法抗干扰性能好，碰撞检测效果好，无需安装任何传感器，降低了机器人加工制造成本和系统的复杂性。