CN109202907B - 一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置及方法。该装置包括系统控制装置、电机伺服驱动装置及工业机器人本体，该方法是先通过工业机器人对伺服电机运行速度、电流进行自学习，获取速度、电流中心曲线及对应不同阶段的速度、电流容许偏差阀值，在实际运行时通过采集到的速度、电流与离线学习到的速度、电流中心曲线比较来判断工业机器人是否发生碰撞。碰撞时，电机伺服装置的控制器由位置速度电流三环控制装置切换为复合控制装置，通过给定反向控制电流驱动关节伺服电机停车并利用位置反馈信号控制其反弹距离，避免了工业机器人与被撞物的损毁，也避免由于工业机器人末端与被撞物紧贴导致机器人重新上电后伺服驱动装置产生过载报警。

Description

一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于工业机器人伺服系统本质的碰撞检测及安全控制技术，具体说是一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置及方法。

背景技术

工业机器人在应用时，由于多种原因导致在工作时其末端与其他工件发生刚性碰撞，而末端所受的碰撞力会耦合到各个关节轴上，在各关节驱动电机轴上加载一个冲击力矩。当伺服驱动器检测到伺服电机发生过载后会产生报警信号并停车，但此时机器人末端与被撞物紧贴在一起，或者由于其他未产生过载报警的轴继续执行已发下来的指令导致末端冲击被撞物损坏机械臂以及被撞物。当再次上电时会由于撞击物的反弹或顶死造成碰撞报警或过载报警，导致实用性差。

上述问题主要涉及了工业机器人的碰撞检测及安全控制技术。在工业机器人常用的碰撞检测技术有基于摄像头的视觉检测、基于动力学模型的检测、基于外部力矩传感器的检测以及伺服驱动层面的检测等方法。基于摄像头视觉检测和外部力矩传感器检测的方法都需要额外增加部件，且后者还需要改变工业机器人的结构，这都大大增加了工业机器人的成本。同时，基于动力学模型的检测方法不仅需要针对不同工况进行参数的辨识，而且还需要庞大的计算量很难实现完全的在线检测。安全控制技术是指在检测到碰撞或危险后如何做出相应的安全控制保证其正常工作且避免工业机器人以及被撞物损坏的一种技术。业界对于检测到碰撞后通常的做法是通过给定位置指令或者速度指令使得工业机器人停止运行。但在实际运行时还要考虑到再次上电时会由于撞击物的反弹或顶死造成碰撞报警或过载报警等情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置及方法。

本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，包括系统控制装置、电机伺服驱动装置及工业机器人本体，系统控制装置发送关节位置指令给电机伺服驱动装置，电机伺服驱动装置输出功率信号驱动工业机器人本体运动。

进一步，所述电机伺服驱动装置包括碰撞检测装置，碰撞检测装置设有电流比较装置和速度比较装置，以接收来自伺服电机电流和速度信号，当电流差值超过容许偏差阀值时电流比较装置输出高电平信号；当速度差值超过容许偏差阀值时速度比较装置输出高电平信号，当速度比较装置和电流比较装置同时输出高电平信号时则判断工业机器人末端发生碰撞。

进一步，电机伺服驱动装置还包括位置速度电流三环控制装置、复合控制装置、控制装置切换开关。所述碰撞检测装置连接所述控制装置切换开关，当无碰撞时，所述碰撞检测装置发出控制信号驱动控制装置切换开关使得位置速度电流三环控制装置的控制信号输出给电机伺服驱动装置；当发生碰撞时，所述碰撞检测装置发出控制信号驱动控制装置切换开关使得复合控制装置的控制信号输入给电机伺服驱动装置；所述电机伺服驱动装置进一步包括一功率放大器，所述功率放大器连接所述控制装置切换开关和所述伺服电机。

进一步，所述工业机器人本体包括工业机器人结构系统以及各关节的伺服电机、绝对式编码器，所述伺服电机接收经过所述控制装置切换开关的控制信号从而输出力矩驱动工业机器人结构系统各关节运动，绝对式编码器与伺服电机的转轴同轴以产生关节位置反馈信号。

进一步，所述位置速度电流三环控制装置包括位置控制器、速度控制器、第一电流控制器及微分器，所述位置控制器接收系统控制装置的关节位置指令与来自所述绝对式编码器的关节位置反馈信号的偏差并输出关节速度指令给速度控制器，微分器接收关节位置反馈信号并输出速度反馈信号，速度控制器接收输入关节速度指令与速度反馈信号的偏差并输出关节伺服电机电流指令给所述第一电流控制器，所述电流控制器接收关节伺服电机电流指令与检测到的电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至所述控制装置切换开关。

进一步，复合控制装置设有反弹距离检测装置及第二电流控制器，所述反弹距离检测装置接收检测到的关节位置反馈信号用于判断反弹距离是否达到设定值并输出电流控制指令，所述第二电流控制器接收所述电流控制指令与电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至所述控制装置切换开关。

本发明的第二个目的通过以下技术方案实现：基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置进行无传感弹性碰撞方法，包括如下步骤：

(1)在离线形式下对伺服驱动器不同运行阶段通过计算速度曲线和电流曲线平均值得到电流中心曲线fi(z)和速度中心曲线fn(z)；并计算相应阶段的速度容许偏差阀值(Δn_U、Δn_D、Δn_M)和电流容许偏差阀值(Δi_U、Δi_D、Δi_M、Δi_Z)；

(2)当在实际运行时，使用位置速度电流三环控制装置对伺服驱动装置进行控制；

(3)实时计算当前速度偏差(|n(z)-fn(z)|)和电流偏差(|i(z)-fi(z)|)；根据速度偏差值和电流偏差值判断是否发生碰撞；

(4)当碰撞发生后，伺服控制装置的控制装置切换开关将开关S由状态1切换为状态2，即控制装置由位置速度电流三环控制装置切换为复合控制装置；此时，伺服驱动装置给定反向电流控制指令，由复合控制装置输出反向制动电流驱动伺服电机减速。

进一步，(5)在伺服电机减速的过程中，通过绝对式编码器的位置反馈信号计算θ，并与设定的反弹距离θ_rbk比较；

当θ＜θ_rbk时，继续执行步骤(4)；

当θ＞θ_rbk时，伺服驱动装置制动关节伺服电机使得工业机器人停止运行，通过反弹以及反弹距离的控制使得释放残余应力，避免了重新启动后发生伺服电机过载报警等情况，减小了被撞物的损坏。

进一步，不同阶段对应的速度容许偏差阀值和电流容许偏差阀值分别由以下两个公式计算可得：

Δn＝max|fn_k(z)-fn(z)|

Δi＝max|fi_k(z)-fi(z)|

其中，fn_k(z)为k时刻速度采样值，fi_k(z)为k时刻电流采样值，fi(z)为电流中心曲线和fn(z)为速度中心曲线。

进一步，在所述第(3)步中，当{|n(z)-fn(z)|＞Δn}&&{|i(z)-fi(z)|＞Δi}不成立时，则工业机器人末端未发生碰撞，继续执行步骤(2)；

当{|n(z)-fn(z)|＞Δn}&&{|i(z)-fi(z)|＞Δi}成立时，则检测到工业机器人末端发生碰撞。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于工业机器人的无传感弹性碰撞方法通过离线运行对电机电流、速度曲线进行自学习，得到不同运行阶段的速度、电流中心曲线及对应阶段的容许偏差阀值，然后通过在线运行时伺服电机的电流及速度反馈信号与离线学习到的值进行比较就可以完成对工业机器人的末端碰撞检测，无需力矩传感器，具有计算简便、灵敏度高、实时性好、成本低的特点；

(2)本发明基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置通过在电机伺服驱动装置设置控制装置切换开关和碰撞检测装置，碰撞检测装置连接控制装置切换开关，当无碰撞时，碰撞检测装置发出控制信号驱动控制装置切换开关使得位置速度电流三环控制装置的控制信号输出给电机伺服驱动装置；当发生碰撞时，电机伺服装置的控制器由位置速度电流三环控制装置切换为复合控制装置，通过给定反向控制电流驱动关节伺服电机停车并利用位置反馈信号控制其反弹距离，从而避免了刚性冲击对工业机器人与被撞物的损毁，也避免了由于工业机器人末端与被撞物紧贴导致机器人重新上电后伺服驱动装置产生过载报警的情况发生，无需额外增加部件或改变工业机器人的结构即可完成对工业机器人的末端碰撞检测，降低了工业机器人的成本，且有很好的实用性。

附图说明

图1是本发明中伺服电机运行状态时，速度和电流的变化曲线图；

图2是本发明中基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置原理图；

图3是本发明中基于工业机器人的无传感弹性碰撞方法作用前后电机运行状态图；

图4是本发明中基于工业机器人的无传感弹性碰撞方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

请参阅如图2，本发明提供了一种基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其包括系统控制装置1、电机伺服驱动装置2及工业机器人本体17。系统控制装置1发送关节位置指令给电机伺服驱动装置2，电机伺服驱动装置2输出功率信号驱动工业机器人本体17运动。

请参阅如图2，所述电机伺服驱动装置2由位置速度电流三环控制装置3、复合控制装置14、碰撞检测装置7、控制装置切换开关15及功率放大器16组成。

所述位置速度电流三环控制装置3接收系统控制装置发送的位置指令信号以及工业机器人本体17发送的关节位置反馈信号，输出功率电流信号到工业机器人本体17以驱动关节伺服电机18运动。所述位置速度电流三环控制装置3由位置控制器4、速度控制器5、第一电流控制器6及微分器10组成。

承上，所述位置控制器4接收系统控制装置1的关节位置指令与机器人本体17的关节位置反馈信号的偏差并输出关节速度指令给速度控制器5。关节位置反馈信号经过微分器10输出速度反馈信号，速度控制器5输入关节速度指令与速度反馈信号的偏差并输出关节伺服电机电流指令给第一电流控制器6。第一电流控制器6接收关节伺服电机电流指令与检测到的电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至控制装置切换开关15。

所述复合控制装置14接收检测到的电流反馈信号以及工业机器人本体17发送的关节位置反馈信号，输出驱动电流信号到工业机器人本体17以驱动关节伺服电机18运动。复合控制装置14由反弹距离检测装置12及第二电流控制器13组成。反弹距离检测装置12用于判断反弹距离是否达到设定的反弹距离并输出电流控制指令11。第二电流控制器13接收电流控制指令11与电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至控制装置切换开关15。

所述功率放大器16接收位置速度电流三环控制装置3或复合控制装置14的信号并进行放大后产生功率信号输出到工业机器人本体17的伺服电机18上。

所述碰撞检测装置7接收来自伺服电机18电流和速度信号并分别输入给电流比较装置8和速度比较装置9。当电流差值超过容许偏差阀值时电流比较装置8输出高电平信号；当速度差值超过容许偏差阀值时速度比较装置9输出高电平信号。当速度比较装置8和电流比较装置9同时输出高电平信号时则判断工业机器人末端发生碰撞，此时碰撞检测装置产生控制信号输出给控制装置切换开关15。当无碰撞时，所述碰撞检测装置7发出控制信号驱动控制装置切换开关15使得位置速度电流三环控制装置3的控制信号输入给功率放大器16；当发生碰撞时，发出控制信号驱动控制装置切换开关15使得复合控制装置14的控制信号输入给功率放大器16。

请参阅图2，所述工业机器人本体17由工业机器人结构系统20以及各关节的伺服电机18、绝对式编码器19组成。伺服电机18接收来自所述功率放大器16并输出力矩驱动工业机器人结构系统20各关节运动，绝对式编码器19与伺服电机18轴同轴以产生关节位置反馈信号，并分别反馈到所述位置速度电流三环控制装置3和所述复合控制装置14。

请参阅图1、图3、和图4，本发明提供的基于工业机器人的无传感弹性碰撞方法原理如下：

工业机器人在确定的工位工况下进行较为单一的重复运动时，每个伺服电机运行状态在一定范围内是固定的。首先在正常工作负载下工业机器人运行若干个工作节拍，在此过程中伺服驱动装置通过采集到的电流及速度绘制曲线如图1所示，速度曲线分别为fn_k(z)(k＝1,2...)，电流曲线分别为fi_k(z)(k＝1,2...)。可将速度曲线分为速度上升阶段、速度下降阶段、速度最值稳定阶段三个阶段，电流曲线也可分为电流上升阶段、电流下降阶段、电流最值稳定阶段、电流零值稳定阶段四个阶段。

对其不同运行阶段通过计算速度曲线和电流曲线平均值得到速度中心曲线fn(z)和电流中心曲线fi(z)，如图1所示。

将不同阶段速度、电流值与该阶段的中心曲线做差求得最大绝对值得到容许偏差阀值：

Δn＝max|fn_k(z)-fn(z)| (1)

Δi＝max|fi_k(z)-fi(z)| (2)

通过上式可计算得出速度曲线不同阶段的容许偏差阀值：Δn_U(速度上升阶段)、Δn_D(速度下降阶段)、Δn_M(速度最值稳定阶段)。得到电流曲线不同阶段的容许偏差阀值：Δi_U(电流上升阶段)、Δi_D(电流下降阶段)、Δi_M(电流最值稳定阶段)、Δi_Z(电流零值稳定阶段)。

在实际运行过程中，通过采集当前伺服电机的速度、电流值，按照式(3)、(4)进行计算。当式(3)、(4)同时成立即速度偏差和电流偏差都超过了对应的容许偏差阀值时则判断碰撞发生。

|n(z)-fn(z)|＞Δn (3)

|i(z)-fi(z)|＞Δi (4)

此时碰撞检测装置产生控制信号驱动控制装置切换开关使得伺服驱动装置由原有的位置速度电流三环控制模式切换为复合控制模式(电流控制与位置反馈)，通过给定反向电流指令使得第二电流控制器控制伺服电机反向运动，当反弹距离检测装置检测到绝对式编码器的关节位置反馈值与设定的反弹距离相等时，则给定电流指令使得第二电流控制器控制伺服电机停车。

请参阅图3和图4，本发明中基于工业机器人的无传感弹性碰撞方法包括以下步骤：

1、工业机器人离线运行若干工作节拍，对伺服电机18的电流、速度反馈信号进行采集，并对其不同运行阶段通过计算速度曲线和电流曲线平均值得到电流中心曲线fi(z)和速度中心曲线fn(z)。

2、将不同阶段速度、电流值分别利用公式Δn＝max|fn_k(z)-fn(z)|、Δi＝max|fi_k(z)-fi(z)|计算得到不同阶段的速度容许偏差阀值(Δn_U、Δn_D、Δn_M)和电流容许偏差阀值(Δi_U、Δi_D、Δi_M、Δi_Z)。

3、在实际工作时，伺服驱动装置2接收系统控制装置1的位置指令并输出给位置速度电流三环控制装置(控制装置切换开关13的开关S处于状态1)来驱动工业机器人本体15运动，同时在任意t时刻对速度、电流进行采样并根据公式|n(z)-fn(z)|＞Δn、|i(z)-fi(z)|＞Δi进行判断。两式子不同时成立时，则工业机器人末端无碰撞发生，返回继续进行轨迹运动控制；

4、由图3所示，在t₁时刻时发生碰撞，伺服电机18转速突降，电枢电流急剧增大，伺服驱动装置2在t₂时刻时，根据公式|n(z)-fn(z)|＞Δn、|i(z)-fi(z)|＞Δi计算判断同时成立，此时判断工业机器人末端发生碰撞。

5、在t₂时刻检测到发生碰撞后，伺服控制装置2的控制装置切换开关15将开关S由状态1切换为状态2，即控制装置由位置速度电流三环控制装置切换为复合控制装置。此时，伺服驱动装置2给定反向电流控制指令11，由复合控制装置14输出反向制动电流驱动伺服电机18减速，最终在t₃时刻伺服电机18转速减为0。

6、如图3所示、在t₃时刻，伺服电机18停车。此时，伺服驱动装置2接收来自绝对式编码器19的关节位置反馈信号θ并与设定的反弹距离θ_rbk比较。

当θ＜θ_rbk时，伺服驱动装置2继续给定反向电流控制指令9通过复合控制装置14驱动关节伺服电机18反向运动；

当θ＞θ_rbk时，伺服驱动装置2制动关节伺服电机18使得工业机器人停止运行。通过反弹以及反弹距离的控制使得释放残余应力，避免了重新启动后发生伺服电机18过载报警等情况，减小了被撞物的损坏。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，包括系统控制装置、电机伺服驱动装置及工业机器人本体，系统控制装置发送关节位置指令给电机伺服驱动装置，电机伺服驱动装置输出功率信号驱动工业机器人本体运动；

该碰撞装置进行无传感弹性碰撞方法包括如下步骤：

(1)在离线形式下对电机伺服驱动装置不同运行阶段通过计算速度曲线和电流曲线平均值得到电流中心曲线fi(z)和速度中心曲线fn(z)；并计算相应阶段的速度容许偏差阀值(ΔnU、ΔnD、ΔnM)和电流容许偏差阀值(ΔiU、ΔiD、ΔiM、ΔiZ)；

(2)当在实际运行时，使用位置速度电流三环控制装置对电机伺服驱动装置进行控制；

(3)实时计算当前速度偏差(|n(z)-fn(z)|)和电流偏差(|i(z)-fi(z)|)；根据速度偏差值和电流偏差值判断是否发生碰撞；

(4)当碰撞发生后，电机伺服驱动装置的控制装置切换开关将开关S由状态1切换为状态2，即控制装置由位置速度电流三环控制装置切换为复合控制装置；此时，电机伺服驱动装置给定反向电流控制指令，由复合控制装置输出反向制动电流驱动伺服电机减速。

2.根据权利要求1所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：所述电机伺服驱动装置包括碰撞检测装置，碰撞检测装置设有电流比较装置和速度比较装置，以接收来自伺服电机电流和速度信号，当电流差值超过容许偏差阀值时电流比较装置输出高电平信号；当速度差值超过容许偏差阀值时速度比较装置输出高电平信号，当速度比较装置和电流比较装置同时输出高电平信号时则判断工业机器人末端发生碰撞。

3.根据权利要求2所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：电机伺服驱动装置还包括位置速度电流三环控制装置、复合控制装置、控制装置切换开关，所述碰撞检测装置连接所述控制装置切换开关，当无碰撞时，所述碰撞检测装置发出控制信号驱动控制装置切换开关使得位置速度电流三环控制装置的控制信号输出给电机伺服驱动装置；当发生碰撞时，所述碰撞检测装置发出控制信号驱动控制装置切换开关使得复合控制装置的控制信号输入给电机伺服驱动装置；所述电机伺服驱动装置进一步包括一功率放大器，所述功率放大器连接所述控制装置切换开关和所述伺服电机。

4.根据权利要求3所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：所述工业机器人本体包括工业机器人结构系统以及各关节的伺服电机、绝对式编码器，所述伺服电机接收经过所述控制装置切换开关的控制信号从而输出力矩驱动工业机器人结构系统各关节运动，绝对式编码器与伺服电机的转轴同轴以产生关节位置反馈信号。

5.根据权利要求4所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：所述位置速度电流三环控制装置包括位置控制器、速度控制器、第一电流控制器及微分器，所述位置控制器接收系统控制装置的关节位置指令与来自所述绝对式编码器的关节位置反馈信号的偏差并输出关节速度指令给速度控制器，微分器接收关节位置反馈信号并输出速度反馈信号，速度控制器接收输入关节速度指令与速度反馈信号的偏差并输出关节伺服电机电流指令给所述第一电流控制器，所述第一电流控制器接收关节伺服电机电流指令与检测到的电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至所述控制装置切换开关。

6.根据权利要求4所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：复合控制装置设有反弹距离检测装置及第二电流控制器，所述反弹距离检测装置接收检测到的关节位置反馈信号用于判断反弹距离是否达到设定值并输出电流控制指令，所述第二电流控制器接收所述电流控制指令与电流反馈信号的偏差并输出电压控制信号至所述控制装置切换开关。

7.根据权利要求1所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：第(4)步中在伺服电机减速的过程中，通过绝对式编码器的位置反馈信号计算θ，并与设定的反弹距离θrbk比较；当θ＜θrbk时，继续执行第(4)步；当θ＞θrbk时，电机伺服驱动装置制动关节伺服电机使得工业机器人停止运行，通过反弹以及反弹距离的控制使得释放残余应力，避免了重新启动后发生伺服电机过载报警的情况，减小了被撞物的损坏。

8.根据权利要求1所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：不同阶段对应的速度容许偏差阀值和电流容许偏差阀值分别由以下两个公式计算可得：Δn＝max|fnk(z)-fn(z)|Δi＝max|fik(z)-fi(z)|其中，fnk(z)为k时刻速度采样值，fik(z)为k时刻电流采样值，fi(z)为电流中心曲线和fn(z)为速度中心曲线。

9.根据权利要求1所述基于工业机器人的无传感弹性碰撞装置，其特征在于：在第(3)步中，当{|n(z)-fn(z)|＞Δn}&&{|i(z)-fi(z)|＞Δi}不成立时，则工业机器人末端未发生碰撞，继续执行第(2)步；当{|n(z)-fn(z)|＞Δn}&&{|i(z)-fi(z)|＞Δi}成立时，则检测到工业机器人末端发生碰撞。