基于动量观测器和双编码器的协作机器人碰撞检测.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 ：本文引用格式：万燕英，伍祁林，曹众佳，等基于动量观测器和双编码器的协作机器人碰撞检测机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：广州市教育局高校科研项目（）作者简介：万燕英（），女，硕士，讲师，研究方向为机器人控制和轨道交通信号控制。：。基于动量观测器和双编码器的协作机器人碰撞检测万燕英，伍祁林，曹众佳，陈泽涛（广州铁路职业技术学院信息工程学院，广东广州；深圳市大象机器人科技有限公司，广东深圳）摘要：为提高协作机器人高速运行时碰撞检测灵敏性，提出一种基于动量观测器和双编码器的碰撞检测方法。基于广义动量的动力学模型构建机器人外力矩观测器；利用双编码器的实时位置偏差和机器人关节传动结构等效柔性特征估计外力矩；设计反应策略实现碰撞后机器人快速停车及能被人工推动。仿真和实验结果表明：在机器人高速运行时，相比传统的基于动量偏差观测器算法，此算法响应时间更短，最大碰撞力更小，提升了高速下碰撞的检测灵敏度，增强了安全防护效果。关键词：协作机器人；安全防护；碰撞检测；观测器；双编码器中图分类号：，（，；，）：，：；前言协作机器人应用场景中，通常人、机处于同一空间协同作业，故安全成为首要问题，而最常见的安全问题就是人机碰撞。目前协作机器人碰撞检测技术主要通过伺服电机电流采样结合动力学算法来实现，在机器人与外界发生碰撞时紧急停车，以避免机器人对外界物体或人员的深度伤害。如洪景东定时对机器人关节摩擦进行重新辨识以维持较高精度的动力学模型，并根据观察力矩误差的表现特征完成碰撞检测。吴海彬等利用广义动量偏差观测器间接获取碰撞力，再通过性能调整函数进一步优化观测器动态响应特性，从而判定碰撞。宋吉来等提出基于电流突变来估计外作用力以判断碰撞。此类方法简单有效、成本较低，对中低速运行的机器人可起到一定的安全防护作用，但在机器人高速运行时碰撞检测效果欠佳，仍会对外界造成较大的瞬时碰撞力。同时，逐渐升级的现代自动化生产工艺对机器人的工作方式提出了新的要求，出现了越来越多的大、中负载协作机器人高速作业场景。高速的机器人发生碰撞后，碰撞力会瞬间增大。因此，要求碰撞检测算法具备准确性、实时性以及碰撞后的反应策略，以降低碰撞伤害。针对协作机器人更苛刻的安全防护需求，本文作者利用双编码器对高速碰撞导致的谐波减速机柔性变形量估计的高灵敏度，提出一种基于广义动量的状态观测器和双编码器的碰撞检测方法，同时设计碰撞反应策略，为协作机器人提供一种有效的安全防护手段。算法设计基于广义动量的状态观测器全程检测机器人的碰撞情况，当机器人高速运行时，自动使能基于双编码器的算法，以提高检测灵敏性。基于广义动量的状态观测器外部物体与协作机器人碰撞时，相当于外力作用在机器人本体上，进而影响机器人的关节力矩。故机器人发生碰撞时，其动力学方程可扩展为如下形式：（）（，）（）（）式中：、分别表示机器人各关节的角度值、角速度以及角加速度的 向量；（）为 机器人惯性矩阵；（，）为 科里奥力矩阵；（）为机器人所受重力在各关节的映射；为关节驱动力矩；为作用在机器人上的外力矩在各关节的映射和减速机摩擦力矩之和。运用 动力学公式对协作机器人进行动力学建模，其广义动量方程可表示为（）（）式（）中：为机器人的广义动量。式（）等号两边同时对时间求导，可得：（）（）（）将式（）代入式（），有：（）（，）（）（）由于（）为正定对称矩阵，故可进一步化简式（），得到机器人基于广义动量的动力学方程：（，）（）（）式（）中：（，）为矩阵（，）的转置矩阵。设为 的估计值，则广义动量的估计值为（，）（）（）根据广义动量实际值和估计值的偏差，设计外力矩观测器为（）（）式（）中：为增益矩阵。由式（）、（）、（）整理得到：（）（）对式（）进行 变换得到传递函数：（）（）（）式（）表明：该外力矩观测器为一阶系统，观测值跟随 而变化。当机器人无碰撞时，；发生碰撞时，会迅速变大。因此，文中实时比较关节实际力矩和观测力矩的偏差值，若超过设定的阈值，则认为机器人发生了碰撞。基于双编码器的碰撞检测算法协作机器人关节传动机构一般由谐波减速机、无框力矩电机、电机侧编码器、制动器、减速机、输出侧编码器、伺服驱动器、机壳等部件组成。电机侧编码器可为增量式或单圈绝对式，主要用于电机速度闭环控制及电机位置检测。输出侧编码器可为单圈或多圈绝对式，用于输出端位置闭环控制。谐波减速机由刚轮、柔轮、波发生器以及交叉滚子轴承等构成，其传动原理是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮齿间相对错齿来传递动力。如图 所示，文中协作机器人的关节传动机构电机侧安装一个 单圈绝对式编码器，减速机输出侧安装一个 多圈绝对式编码器。发生碰撞时，谐波减速机输出端因和机器人连杆刚性连接而首先反映出位置变化，由于柔轮可等效成一个弹簧，故电机侧的位置变化将会被延迟。利用减速机输出侧的编码器和电机侧编码器所体现出来的位置偏差，经过特定的模型估算，结合设定的阈值，即可检测出碰撞。因此，基于谐波减速机的等效柔性特征，文中利用双编码器的实时位置偏差来建立关节变形量模型，实现碰撞力的估计。图 协作机器人关节传动示意 设谐波减速机刚度系数为，是减速机输出端编码器位置，是电机侧的编码器位置，是减速比，为谐波减速机柔轮变形产生的转矩。根据谐波减速机固有的转矩扭转角特性关系，可得：（）（）利用机器人动力学模型，减速机输出连杆上的外力矩估计值为机床与液压第 卷?（）（，）（）（）相比广义动量观测器，基于双编码器偏差的碰撞检测方法通过谐波减速机柔性变形偏差估计外力矩，避免了关节摩擦建模与参数辨识对碰撞检测灵敏度的影响，尤其在高速碰撞中，检测更快速。因此，本文作者将其作为协作机器人高速运行时的碰撞检测辅助策略，以提高机器人高速作业场景下碰撞检测的灵敏度。检测策略算法流程如图 所示，系统伺服周期为，采用滑动窗口采样方式，数据更新时延为，理论检测时延为 。图 基于双编码器的碰撞检测流程 碰撞后的反应策略协作机器人发生碰撞后，必须采取一定的反应策略以减少碰撞带来的伤害。实际应用中，人机碰撞后果包括人员的夹伤、压伤、撞伤等，其中夹伤、压伤时要求机器人能被轻易推开，以免造成深度或二次伤害。传统做法是保护性停止，如关闭机器人伺服驱动器使能、关闭伺服电机抱闸等。此类方式虽能及时停止机器人运动，但未能避免夹伤、压伤碰撞后的伤害。文中提出一种新的反应策略，即检测到机器人发生碰撞后，将伺服驱动器切换至低刚性的 模式，并设定合适的驱动器增益参数。该模式下机器人能被轻易推动，且算法简单、可靠性较高。仿真与实验利用 软件辨识动力学模型的关节摩擦力参数，并仿真验证该模型对外力矩估计的准确性。通过对比传统的基于动量偏差观测器算法，来验证此算法的优势。关节摩擦力参数辨识由于 为关节外力矩和摩擦力矩之和，故估计外力矩前需先辨识摩擦力矩参数。在协作机器人关节中，伺服电机转子直接安装于谐波减速机的波发生器凸轮一体式输入轴上。忽略电磁式制动器微小摩擦力，关节摩擦力主要来源于谐波减速机，故文中采用谐波减速机 摩擦力模型辨识摩擦力参数。首先设定一组激励轨迹来驱动机器人，在机器人无碰撞情况下，按照 的伺服周期采集机器人各个关节角度、速度以及力矩实际反馈值，如图 所示（以、关节为例）。然后利用这些数据，在 中仿真得到摩擦力参数集，再将摩擦力参数集代入动力学模型，得到辨识后的动力学模型。图 激励轨迹运动下、关节采样值 ：（）；（）；（）为验证辨识后的动力学模型有效性，按照设定的激励轨迹在机器人上重新采样一组关节力矩值。根据力矩采样值和辨识后的动力学模型，计算得到估计力矩值。如图 所示（以、关节为例）：机器人运动过程中、关节的实际力矩与估计力矩偏差较小，表明该动力学模型准确性较好。图 、关节实际力矩、估计力矩及力矩偏差曲线 ，：（）；（）碰撞检测实验搭建协作机器人测试平台，如图 所示。对算法进行中低速、高速运行状态下的性能测试，主要包括机器人发生碰撞时的碰撞力大小和检测时延两个指标。测试方法如下：步骤，在机器人末端加装三维力矩传感器，打开机器人控制系统中软示波器并设定监测、关节实时力矩和估计力矩；步骤，打开 端三维力矩传感器上位机软件，第 期万燕英 等：基于动量观测器和双编码器的协作机器人碰撞检测 监测力矩传感器实时力矩；步骤，在机器人测试程序中至少设置 个 插补模式的路点，其中一个路点为碰撞发生点；步骤，设定末端负载对应的碰撞力矩安全阈值，使机器人分别运行在低速、中速、高速 种状态下；步骤，当机器人运行到碰撞发生点位置时，人手触碰力矩传感器底面直至算法检测出碰撞、机器人停止运动，记录此时力矩传感器曲线，并抓取机器人关节实时力矩和估测力矩曲线以计算检测时延；步骤，重复 次步骤，取 次碰撞力的平均值作为最终结果。图 机器人碰撞实验测试平台 传统的基于动量偏差的观测器算法通常通过构造一阶系统或优化的二阶系统观测器来实现外力矩的观测。如文献为了使观测器系统具有快速性又能减小系统振荡，在观测器中加入比例微分调节器，专门用于改善二阶系统的性能。运用同样的硬件条件和测试方法，传统算法高速碰撞实验测试结果如图 所示（以、关节为例）。可知：从力矩偏差开始变化到触发碰撞保护的时间约为 。图 传统算法、关节碰撞检测结果 ：（）；（）此算法在中低速段采用基于广义动量的状态观测器检测方式，当机器人高速运行时，自动使能基于双编码器的算法作为辅助策略，提高检测的快速性。此算法高速碰撞实验结果（以 关节为例）如图 所示。由图 （）可知：从 关节双编码器角度偏差开始变化到触发碰撞保护的时间约为 。图 此算法 关节碰撞检测结果 ：（）；（）两种算法在不同速度下碰撞力测试数据如表 所示。由图、图 及表 数据可知：机器人在中低速情况下两者的最大碰撞力矩较为接近；但在机器人高速运行时，此算法响应时间更短，最大碰撞力更小，提升了高速下碰撞的检测灵敏度，增强了安全防护效果。表 碰撞力大小测试结果 碰撞力矩阈值（）速度最大碰撞力 此算法传统算法 碰撞后反应策略实验出于安全考虑，此算法设计人机碰撞后机器人将保护性停止且可被轻易推动，实验结果如图 所示。当人手与机器人发生碰撞时，机器人能迅速进入碰撞保护状态，且人手可轻松推动机器人到其他位置，有效保护机器人和外界的安全。图 人机碰撞后反应策略测试结果 ：（）；（）；（）机床与液压第 卷 结论提出一种基于广义动量的状态观测器和双编码器的碰撞检测方法，同时设计了碰撞后反应策略。（）根据广义动量的动力学模型结合关节摩擦力矩参数辨识构建了协作机器人的外力矩观测器，并通过双编码器位置偏差和机器人关节传动结构等效柔性特征获得关节变形模量估计器。（）根据机器人常见的碰撞类型设计了碰撞后将伺服驱动器切换至低刚性的 模式。（）仿真与实验结果表明：在机器人高速运行时，此算法较传统的基于动量偏差观测器算法，响应时间缩短了近，有效提高了检测灵敏性。反应策略亦实现了碰撞后机器人快速停车及能被轻易推动的安全处理操作。参考文献：霍淑珍，何志超 协作机器人在智能制造中的应用机床与液压，（）：，（）：，：，：，：吴海彬，杨剑鸣机器人在人机交互过程中的安全性研究进展中国安全科学学报，（）：，（）：万燕英，伍祁林工业机器人安全防护技术综述机电工程技术，（）：，（）：洪景东基于机器人动力学模型的手动拖动示教和碰撞检测广州：华南理工大学，：，吴海彬，李实懿，吴国魁基于动量偏差观测器的机器人碰撞检测算法电机与控制学报，（）：，（）：宋吉来，徐方，邹风山基于电流的机器人故障检测与安全保护研究组合机床与自动化加工技术，（）：，（）：，（）：，史晓立面向协作机器人人机交互的双编码器伺服系统研究上海：上海交通大学，：，：，：，：，：，：倪风雷，刘业超，黄剑斌具有谐波减速器柔性关节摩擦力辨识及控制机械与电子，（）：，（）：陶岳，赵飞，曹巨江协作机器人关节摩擦特性辨识与补偿技术组合机床与自动化加工技术，（）：，（）：第 期万燕英 等：基于动量观测器和双编码器的协作机器人碰撞检测