CN108748158A - 协作机器人、碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协作机器人的碰撞检测系统和方法，其中，碰撞检测系统包含：第一获取模块，用于实时获取电机输出轴的角度；第二获取模块，用于实时获取减速器输出轴的角度；计算模块，根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度，并估计出关节力矩，以检测碰撞是否发生。本发明没有使用力矩传感器，有效降低协作机器人的结构难度并且大大简化了协作机器人一体化关节的装配工艺和成本。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人控制技术领域，具体涉及一种协作机器人、碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统。
背景技术
目前，机器人越来越多的出现在工厂中，当机器人与人或其它设备协同工作时，不小心发生碰撞会对机器人本体或者周围设备(尤其是人)造成很大的伤害。因此，基于安全考虑，需要机器人在工作时检测是否发生碰撞。
现有技术中主要采用以下方式进行碰撞检测：
(1)直接采用力矩传感器
该方式通过在机器人各轴上安装力矩传感器，采用力矩传感器进行检测精度高，但是力矩传感器价格昂贵。
(2)应变片式
该方式在输出轴上安装应变片，然后通过桥电路计算输出轴的形变量，进而估计力矩。该方式对生产制造要求较高，安装工人需要多一道贴应变片的工序，而且每个关节生产出来之后都要单独标定应变片后端处理电路。
(3)串联弹性驱动器
该方式在连杆输入端前面加一个弹簧，这样只需要用一个编码器直接测量弹簧的变形，就可以比较准确知道力矩的大小。该方式的位置控制精度较差。
(4)电流估计力矩
这种方式的前提条件是能比较精确的估计出摩擦力，这样就可以通过关节驱动器测量的电流来估计出连杆输入力矩了。这种方式的精确度取决于摩擦力的估计精度，而实际当中摩擦力是很难精确建模的。由于减速器精摩擦力，需要较大的外力，才能使电流环检测到。
发明内容
本发明的目的在于提供一种协作机器人、碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统，没有使用力矩传感器，有效降低协作机器人的结构难度并且大大简化了协作机器人一体化关节的装配工艺和成本。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种协作机器人，其特点是，包含：
一个或多个关节，每一关节位置处设置一电机及一减速器；
在所述电机输出轴端设有第一角度测量传感器，在所述减速器输出轴端设有第二角度测量传感器。
本发明实施例还公开了一种碰撞检测系统，其特点是，包含：
第一获取模块，用于实时获取电机输出轴的角度；
第二获取模块，用于实时获取减速器输出轴的角度；
计算模块，根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度，并估计出关节力矩，以检测碰撞是否发生。
上述方案中，所述第一获取模块设置在协作机器人关节处的电机输出轴端；所述第二获取模块设置在协作机器人关节处的减速器输出轴端。
上述方案中，所述计算模块包含：
扭转角度计算单元，用于根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，计算获得关节扭转角度；
力矩估计单元，用于根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；
碰撞确定单元，用于根据关节力矩估计值及力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
本发明实施例还公开了一种碰撞检测方法，其特点是，应用于机器人每个关节驱动器的位置闭环任务内，该碰撞检测方法包含以下步骤：
S1、实时采样得到电机输出轴的角度；
S2、实时采样得到减速器输出轴的角度；
S3、根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度；
S4、根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；
S5、根据关节力矩估计值与力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
上述方案中，在步骤S5之后进一步包含一步骤S6，所述步骤S6包含：
S6.1、若发生碰撞，则上报至机器人的控制器，由控制器输出安全处理操作指令；
S6.2、若未发生碰撞，则周期重复执行步骤S1～S5。
上述方案中，所述步骤S4具体包含：
S4.1、确定分段线性函数；
S4.2、利用分段线性函数建模关节扭转角度与关节力矩的关系；
S4.3、离线辨识出分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；
S4.4、根据实时获得的关节扭转角度，获得关节力矩估计值。
上述方案中，所述步骤S4.3具体包含：
S4.3.1、搭建一个单关节的可加载的实验平台，其中，该单关节中装有力矩传感器；
S4.3.2、对该单关节施加不同的负载，并记录每次的关节扭转角度值和力矩传感器的测量值；
S4.3.3、采用最小二乘法对实验数据进行分段线性拟合，以得到分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值。
上述方案中，所述分段线性函数为三段线性函数，则关节扭转角度与关节力矩的三段线性方程描述为：
0＜τ≤τ1：
τ1＜τ≤τ2：
τ2＜τ：
式中，k1，k2，k3为关节扭转角度关于关节力矩τ的三段线性函数的斜率；τ1和τ2为分段点的力矩值。
本发明实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特点是，该计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。
本发明实施例还提供了一种操作系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特点是，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
本发明一种协作机器人、碰撞检测系统和方法、存储介质、操作系统与现有技术相比具有以下优点：
通过检测机器人工作时是否与用户发生碰撞，有效保障机器人与人或其他设备协同工作时的安全；
没有使用力矩传感器，有效降低协作机器人的结构难度并且大大简化了协作机器人一体化关节的装配工艺和成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的碰撞检测系统的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的碰撞检测方法的流程图；
图3为本发明实施例的操作系统的一种硬件结构示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
本发明实施例提供了一种碰撞检测系统。图1是根据本发明一实施例的碰撞检测系统的结构示意图，如图1所示，该碰撞检测系统100，包含：第一获取模块101，用于实时获取电机输出轴的角度；第二获取模块102，用于实时获取减速器输出轴的角度；计算模块103，根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度，并估计出关节力矩，以检测碰撞是否发生。
在本实施例中，如图1所示，所述计算模块103包含：扭转角度计算单元1031，用于根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，计算获得关节扭转角度；力矩估计单元1032，用于根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；碰撞确定单元1033，用于根据关节力矩估计值及力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
在本实施例中，所述第一获取模块101设置在协作机器人关节处的电机输出轴端；较佳地，所述第一获取模块101为增量式编码器。
在本实施例中，所述第二获取模块102设置在协作机器人关节处的减速器输出轴端；较佳地，所述第二获取模块102为绝对式编码器。
本发明实施例提供了一种协作机器人，包含：一个或多个关节，每一关节位置处设置一电机及一减速器；在所述电机输出轴端设有第一角度测量传感器，用于实时获取电机输出轴的角度；在所述减速器输出轴端设有第二角度测量传感器，用于实时获取减速器输出轴的角度。
在本实施例中，较佳地，所述第一角度测量传感器为增量式编码器；所述第二角度测量传感器为绝对式编码器。
本发明实施例还提供一种应用于上述实施例中碰撞检测系统的碰撞检测方法，机器人每个关节驱动器的位置闭环任务内都执行该碰撞检测方法。图2是根据本发明的一个实施例的碰撞检测方法流程图，如图2所示，该碰撞检测方法包括：
S1、实时采样得到电机输出轴的角度。
S2、实时采样得到减速器输出轴的角度。
S3、根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度。
具体地，
式中，θ1表示电机输出轴的角度；θ2表示减速器输出轴的角度，表示关节扭转角度；i为减速器的减速比。
S4、根据关节扭转角度.获得关节力矩估计值。
具体地，步骤S4包含：
S4.1、确定分段线性函数；
S4.2、利用分段线性函数建模关节扭转角度与关节力矩的关系；
S4.3、离线辨识出分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；
S4.3.1、搭建一个单关节的可加载的实验平台，其中，该单关节中装有力矩传感器；
S4.3.2、对该单关节施加不同的负载，并记录每次的关节扭转角度值和力矩传感器的测量值；
S4.3.3、采用最小二乘法对实验数据进行分段线性拟合，以得到分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；
S4.4、根据实时获得的关节扭转角度，获得关节力矩估计值。
S5、根据关节力矩估计值与力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
S6.1、若发生碰撞，则上报至机器人的控制器，由控制器输出安全处理操作指令；
S6.2、若未发生碰撞，则周期重复执行步骤S1～S5。
在本发明中，分段线性函数可以为二段线性函数、三段线性函数、四段线性函数、五段线性函数等等。
在本发明的一个具体示例中，所述分段线性函数为三段线性函数，则关节扭转角度与关节力矩的三段线性方程描述为：
0＜τ≤τ1：
τ1＜τ≤τ2：
τ2＜τ：
式中，k1，k2，k3为关节扭转角度关于关节力矩τ的三段线性函数的斜率；τ1和τ2为分段点的力矩值。
本发明实施例还提供了一种操作系统。图3为本发明实施例的操作系统的一种硬件结构示意图。如图3所示，操作系统300包括：指令接收器304、存储器301、处理器302及存储在存储器301上并可在处理器302上运行的计算机程序，系统中的各个组件可通过总线303耦合在一起。可以理解的是，总线303用于实现这些组件之间的连接通信。总线303除包含数据总线之外，还包含电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图3中将各种总线都表为总线303。
可以理解的是，存储器301可以是易失性或非易失性存储器，也可以包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器看可以是只读存储器(ROM，Read OnlyMemory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(flash EPROM)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存储器(SDRAM，Synchronous DynamicRandom Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR SDRAM，DoubleData Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，Sync Link Dynamic Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器301旨在包含但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
处理器302可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器302的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器302可以是通用处理器、DSP，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器302可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器301，处理器读取存储器301中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。
本实施例中，所述处理器302执行所述程序时实现：实时采样得到电机输出轴的角度；实时采样得到减速器输出轴的角度；根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度；根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；根据关节力矩估计值与力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
作为一种实施方式，所述处理器302执行所述程序时进一步实现：若发生碰撞，则上报至机器人的控制器，由控制器输出安全处理操作指令；若未发生碰撞，则重复执行上述步骤。
作为一种实施方式，所述处理器302执行所述程序时进一步实现：确定分段线性函数；利用分段线性函数建模关节扭转角度与关节力矩的关系；离线辨识出分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；根据实时获得的关节扭转角度，获得关节力矩估计值。
作为一种实施方式，所述处理器302执行所述程序时进一步实现：搭建一个单关节的可加载的实验平台，其中，该单关节中装有力矩传感器；对该单关节施加不同的负载，并记录每次的关节扭转角度值和力矩传感器的测量值；采用最小二乘法对实验数据进行分段线性拟合，以得到分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现：实时采样得到电机输出轴的角度；实时采样得到减速器输出轴的角度；根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度；根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；根据关节力矩估计值与力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
作为一种实施方式，该计算机程序被处理器执行时进一步实现：若发生碰撞，则上报至机器人的控制器，由控制器输出安全处理操作指令；若未发生碰撞，则重复执行上述步骤。
作为一种实施方式，该计算机程序被处理器执行时进一步实现：确定分段线性函数；利用分段线性函数建模关节扭转角度与关节力矩的关系；离线辨识出分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；根据实时获得的关节扭转角度，获得关节力矩估计值。
作为一种实施方式，该计算机程序被处理器执行时进一步实现：搭建一个单关节的可加载的实验平台，其中，该单关节中装有力矩传感器；对该单关节施加不同的负载，并记录每次的关节扭转角度值和力矩传感器的测量值；采用最小二乘法对实验数据进行分段线性拟合，以得到分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值。
需要说明的是，本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品、或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品、或者设备中还存在另外的相同要素。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备提取指令并执行指令的系统)使用，或者结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现；具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征结构、材料、或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种协作机器人，其特征在于，包含：
一个或多个关节，每一关节位置处设置一电机及一减速器；
在所述电机输出轴端设有第一角度测量传感器，在所述减速器输出轴端设有第二角度测量传感器。
2.一种碰撞检测系统，其特征在于，包含：
第一获取模块，用于实时获取电机输出轴的角度；
第二获取模块，用于实时获取减速器输出轴的角度；
计算模块，根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度，并估计出关节力矩，以检测碰撞是否发生。
3.如权利要求2所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述第一获取模块设置在协作机器人关节处的电机输出轴端；所述第二获取模块设置在协作机器人关节处的减速器输出轴端。
4.如权利要求2所述的碰撞检测系统，其特征在于，所述计算模块包含：
扭转角度计算单元，用于根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，计算获得关节扭转角度；
力矩估计单元，用于根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；
碰撞确定单元，用于根据关节力矩估计值及力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
5.一种碰撞检测方法，其特征在于，应用于机器人每个关节驱动器的位置闭环任务内，该碰撞检测方法包含以下步骤：
S1、实时采样得到电机输出轴的角度；
S2、实时采样得到减速器输出轴的角度；
S3、根据电机输出轴的角度与减速器输出轴的角度，获得关节扭转角度；
S4、根据关节扭转角度，获得关节力矩估计值；
S5、根据关节力矩估计值与力矩突变的阈值，判断碰撞是否发生。
6.如权利要求5所述的碰撞检测方法，其特征在于，在步骤S5之后进一步包含一步骤S6，所述步骤S6包含：
S6.1、若发生碰撞，则上报至机器人的控制器，由控制器输出安全处理操作指令；
S6.2、若未发生碰撞，则周期重复执行步骤S1～S5。
7.如权利要求5所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包含：
S4.1、确定分段线性函数；
S4.2、利用分段线性函数建模关节扭转角度与关节力矩的关系；
S4.3、离线辨识出分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值；
S4.4、根据实时获得的关节扭转角度，获得关节力矩估计值。
8.如权利要求7所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤S4.3具体包含：
S4.3.1、搭建一个单关节的可加载的实验平台，其中，该单关节中装有力矩传感器；
S4.3.2、对该单关节施加不同的负载，并记录每次的关节扭转角度值和力矩传感器的测量值；
S4.3.3、采用最小二乘法对实验数据进行分段线性拟合，以得到分段线性函数的斜率以及分段点的力矩值。
9.如权利要求7所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述分段线性函数为三段线性函数，则关节扭转角度与关节力矩的三段线性方程描述为：
0＜τ≤τ1：
τ1＜τ≤τ2：
τ2＜τ：
式中，k1，k2，k3为关节扭转角度关于关节力矩τ的三段线性函数的斜率；τ1和τ2为分段点的力矩值。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求5～9中任一项所述的方法。
11.一种操作系统，包括存储器、处理器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，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5～9中任一项所述的方法。
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