基本信息
北方民族大学·机电工程学院，研究方向：机器人技术与应用
发表于仪器仪表学报杂志。
论文内容简介
针对机器人力/位混合控制时发生异常碰撞所导致的安全问题,提出一种基于快速动力学辨识的碰撞检测方案。首先,建立机器人快速动力学的辨识模型,基于拉格朗日法整理出机器人关节重力矩的最简三角函数回归矩阵,运用连续摩擦模型建模关节摩擦力;然后,采用最小二乘法分别辨识出机器人关节的重力矩最简参数集和连续摩擦模型参数集;最后,为验证提出方法的有效性,设计并完成机器人快速动力学辨识和碰撞检测实验。
研究背景
随着机器人技术的快速发展，机器人已经应用到很多高精度加工的场景，例如采用工业机器人完成自动焊接、柔性装配、打磨全问题。根据工业机器人的应用环境与功能需求，人与机器人共存环境下的碰撞检测是确保人机交互安全和设备自身安全的基础性课题。HADDADIN S提出将人机物理交互的行为发生流程分为预碰撞、碰撞检测、分离、识别、分类、响应以及碰撞后处理七个步骤。其中，依靠机器人自身传感器而无需外部传感的碰撞检测、分离、识别等已成为当前人机安全交互技术的热点，其难点问题在于机器人动力学模型参数的有效辨识，现有方法可分为3类：第1类为动力学模型参数的完整性辨识。采用一次性辨识全部惯性参数的方法得到机器人的动力学参数。第2类基于CAD模型参数估计辨识。根据机器人的三维模型获取机器人的模型参数，再对摩擦参数进行辨识。第3类是快速模型参数辨识。根据工业机器人的特殊应用场景以及需求，简化动力学模型，快速辨识机器人的重要模型参数。通过相应的方法能够辨识动力学模型参数，但现有方法大多采用机器人在自由工作空间下验证算法的效果，较少考虑到机器人在打磨、抛光、柔性装配等与外界有力交互过程中的碰撞检测。当机器人处于力/位混合控制约束下时，力控制关节摩擦的建模问题变得更加复杂，导致基于动力学模型的碰撞检测效果不佳。基于此，论文基于拉格朗日方法建立重力矩最简约参数集，采用连续摩擦模型建立关节摩擦模型，实现快速动力学模型参数辨识，再分别开展力控制和位置控制方向关节碰撞检测实验，验证算法的有效性和实用性。
论文创新点
文章提出的快速动力学辨识方法能够实现在机器人力/位混合控制应用中的有效碰撞检测，文章提出的方法主要解决以下问题：（1）根据机器人力/位混合控制的需求，建立快速动力学辨识模型，减少数学符号推导和简化模型难度；（2）提出基于拉格朗日法的最约简重力矩参数集，采用连续摩擦模型，实现机器人力/位混合控制应用下的动力学参数的有效辨识；（3）针对机器人力/位混合应用的复杂性，分别监控力控制关节和位置控制关节力矩变化，实现有效的异常碰撞检测，保障操作人员和设备的安全。
灵思创奇设备价值
论文中实验采用 SRI 6 轴力/力矩传感器、工业机器人平台、半实物仿真系统均为北京灵思创奇科技有限公司集成。工控机与传感器、机器人伺服驱动之间使用高度集成，采用 EtherCAT 总线进行通信，工控机每 2 ms 读取传感器数据值、机器人关节位置电流值及发送驱动器控制指令等，能够较好的采集的机器人的关节角度、角速度以及驱动电流（转换为关节驱动力矩）。实验首先根据需求在MATLAB/Simulink下开发机器人控制算法，编译通过后下载到半实物仿真系统，采集机器人关节角度、速度、力矩等信息，离线导出完成数据处理，进行摩擦力和重力的拟合。同样的，在获得相应的参数处理后，在 MATLAB/Simulink 环境下完成机器人控制算法的设计，通过并生成 C 代码下载到嵌入式工控机实现程序功能。基于灵思创奇的半实物仿真平台集成度高，操作简单，可视化较好，处理数据比较方便，大大节约了算法开发的时间，快速为实验提供了验证平台，为论文的实验过程顺利开展提供了较大的帮助。
