協(xié)作機(jī)器人拖動示教及碰撞檢測研究

付苗苗

【摘 要】本文以七自由度協(xié)作機(jī)器人為研究對象，深入研究機(jī)器人拖動示教、碰撞檢測這兩部分內(nèi)容，提高機(jī)器人的協(xié)作性和安全性，使其能夠安全地與人類進(jìn)行直接交互。

【關(guān)鍵詞】協(xié)作機(jī)器人;拖動示教;碰撞檢測

與其他工業(yè)機(jī)器人相比，作為與人協(xié)作的機(jī)器人，應(yīng)該具備其特有的功能。由于人與機(jī)器人協(xié)同工作并且具有意識接觸，機(jī)器人應(yīng)具有拖動示教功能;從安全角度考慮，人與機(jī)器人在一個空間工作時，機(jī)器人應(yīng)該具有碰撞檢測功能。

1.七自由度協(xié)作機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)本身屬于非線性且具有強(qiáng)耦合的動力學(xué)系統(tǒng)，其控制過程與機(jī)器人本身的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)息息相關(guān)，是實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和軌跡規(guī)劃的重要平臺。本文所研究的機(jī)器人拖動示教也是依靠機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。現(xiàn)今，大部分工業(yè)機(jī)器人均是各個關(guān)節(jié)獨(dú)立控制，而不是統(tǒng)一控制。本文的七自由度協(xié)作機(jī)器人實驗平臺所采用的控制系統(tǒng)為單關(guān)節(jié)伺服控。

機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三個由外向內(nèi)的反饋控制環(huán)路，實際工作中，伺服驅(qū)動器可以工作在位置環(huán)（位置模式）、速度環(huán)（速度模式）和電流環(huán)（力矩模式）以實現(xiàn)不同的作業(yè)：

（1）位置控制模式：機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)位置環(huán)采用P（PID）控制，機(jī)器人工作在位置模式下，位置環(huán)的輸出為速度指令，給到機(jī)器人各軸伺服驅(qū)動器中，在伺服驅(qū)動器里面實現(xiàn)速度環(huán)+電流環(huán)雙閉環(huán)，使機(jī)器人快速、精確地完成實際工作任務(wù);

（2）速度控制模式：機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)速度環(huán)采用PI（PID）控制，當(dāng)機(jī)器人采用速度控制方式時，只能控制機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的速度大小，保證機(jī)器人速度精度，但不能保證機(jī)器人關(guān)節(jié)位置精度;

（3）力矩控制模式：機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)電流環(huán)采用PI（PID）控制，當(dāng)機(jī)器人采用力矩控制方式時，根據(jù)電機(jī)位置反饋，在控制器中進(jìn)行機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)計算和逆動力學(xué)計算，得出各軸運(yùn)動所需的實時力矩值，交給運(yùn)動控制卡輸出模擬電壓驅(qū)動器電流環(huán)，作為電流環(huán)指令。

本文所研究的機(jī)器人拖動示教需要機(jī)器人工作在力矩控制模式下，關(guān)閉機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)中的位置環(huán)和電流環(huán)，直接給機(jī)器人電流環(huán)發(fā)送關(guān)節(jié)力矩信號，電流環(huán)輸出值控制機(jī)器人運(yùn)動。

2.動力學(xué)模型

由于在機(jī)器人末端加上負(fù)載之后，機(jī)器人的整體動力學(xué)模型會發(fā)生改變，導(dǎo)致機(jī)器人的拖動示教無法實現(xiàn)，所以本文在本節(jié)中建立七自由度協(xié)作機(jī)器人的末端負(fù)載動力學(xué)模型，完善七自由度協(xié)作機(jī)器人動力學(xué)模型，為實現(xiàn)機(jī)器人拖動示教提供一定的理論基礎(chǔ)。

機(jī)器人末端負(fù)載動力學(xué)模型是機(jī)器人末端加入負(fù)載之后，計算機(jī)器人末端負(fù)載對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩，其表達(dá)式為：

式中，JF為機(jī)器人力雅克比矩陣;Fpayload為機(jī)器人末端力旋量; payload為末端負(fù)載對機(jī)器人關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩矢量。七自由度協(xié)作機(jī)器人動力學(xué)模型，其表達(dá)式為：

將末端負(fù)載動力學(xué)模型加入到機(jī)器人動力學(xué)模型中，得到帶末端負(fù)載的機(jī)器人動力學(xué)模型，其表達(dá)式為：

由此可以看出，機(jī)器人機(jī)械本體和末端負(fù)載對機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的貢獻(xiàn)是分開的，兩者不存在耦合效應(yīng)。因此，機(jī)器人末端負(fù)載動力學(xué)模型能單獨(dú)計算，并且不會對機(jī)器人本體動力學(xué)模型產(chǎn)生耦合影響。

當(dāng)機(jī)器人末端負(fù)載改變時，由于機(jī)器人末端抓取的負(fù)載大小形狀已知，需要將新的負(fù)載的質(zhì)量和質(zhì)心位置以及慣性張量輸入到末端負(fù)載動力學(xué)模型中，對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)進(jìn)行末端負(fù)載力矩補(bǔ)償，但實際工作過程中，大部分情況下無法確定末端負(fù)載的慣性張量，所以不能對機(jī)器人進(jìn)行完整的末端負(fù)載力矩補(bǔ)償。

3.仿真與分析

3.1拖動示教

本文對末端負(fù)載動力學(xué)模型進(jìn)行仿真及分析。

將機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的角速度仿真數(shù)據(jù)作為已知量，計算出機(jī)器人把手末端的速度矢量，計算出線速度的大小，如圖3-1所示

從圖中看出，把手末端的速度曲線沒有突變部分，說明在拖動示教過程中，機(jī)器人末端加速度不會出現(xiàn)驟增或驟減的現(xiàn)象，因此，圖3-1中的結(jié)果表明操作人員能夠快速、靈活地拖動機(jī)器人。

3.2碰撞檢測

本文提出了帶末端負(fù)載的機(jī)器人碰撞檢測算法，并對該算法進(jìn)行了仿真實驗。

將規(guī)劃軌跡模塊輸出的機(jī)器人各個關(guān)節(jié)角度作為已知量;關(guān)節(jié)角度通過查分模塊得到機(jī)器人關(guān)節(jié)變量，將關(guān)節(jié)變量分別輸入到機(jī)器人動力學(xué)模型、動量偏差觀測模塊以及負(fù)載消除模塊中;將機(jī)器人機(jī)械模型的輸出力矩與機(jī)器人動力學(xué)模型的輸出力矩的差作為機(jī)器人關(guān)節(jié)外力矩輸入到動量偏差觀測模塊中，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)外力矩;將關(guān)節(jié)變量與關(guān)節(jié)外力矩作為已知量輸入到負(fù)載消除模塊中，最后輸出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)外力矩曲線。

仿真結(jié)果表明，本文提出的碰撞檢測方法實現(xiàn)了帶末端負(fù)載的機(jī)器人碰撞檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]康永利.七自由度協(xié)作機(jī)器人拖動示教及碰撞檢測研究[D].北京交通大學(xué)，2018.

[2]吳文祥.多自由度串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)摩擦分析與低速高精度運(yùn)動控制[D].浙江大學(xué)，2013.

[3]黎意楓.免力矩傳感器的機(jī)器人直接示教技術(shù)研究[D].深圳研究生院，2015.

[4]馬志舉，吳海彬.無外部傳感器的機(jī)器人碰撞檢測[J].測試技術(shù)學(xué)報，2013（3）：254-259.

（作者單位：滄州師范學(xué)院）