協作機器人拖動示教及碰撞檢測研究

付苗苗

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

【關鍵詞】協作機器人;拖動示教;碰撞檢測

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

1.七自由度協作機器人伺服控制系統

機器人伺服控制系統本身屬于非線性且具有強耦合的動力學系統，其控制過程與機器人本身的運動學和動力學息息相關，是實現機器人運動學、動力學和軌跡規劃的重要平臺。本文所研究的機器人拖動示教也是依靠機器人伺服控制系統實現的?，F今，大部分工業機器人均是各個關節獨立控制，而不是統一控制。本文的七自由度協作機器人實驗平臺所采用的控制系統為單關節伺服控。

機器人伺服控制系統包括位置環、速度環和電流環三個由外向內的反饋控制環路，實際工作中，伺服驅動器可以工作在位置環（位置模式）、速度環（速度模式）和電流環（力矩模式）以實現不同的作業：

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

（2）速度控制模式：機器人伺服控制系統速度環采用PI（PID）控制，當機器人采用速度控制方式時，只能控制機器人各個關節的速度大小，保證機器人速度精度，但不能保證機器人關節位置精度;

（3）力矩控制模式：機器人伺服控制系統電流環采用PI（PID）控制，當機器人采用力矩控制方式時，根據電機位置反饋，在控制器中進行機器人的正運動學計算和逆動力學計算，得出各軸運動所需的實時力矩值，交給運動控制卡輸出模擬電壓驅動器電流環，作為電流環指令。

本文所研究的機器人拖動示教需要機器人工作在力矩控制模式下，關閉機器人伺服控制系統中的位置環和電流環，直接給機器人電流環發送關節力矩信號，電流環輸出值控制機器人運動。

2.動力學模型

由于在機器人末端加上負載之后，機器人的整體動力學模型會發生改變，導致機器人的拖動示教無法實現，所以本文在本節中建立七自由度協作機器人的末端負載動力學模型，完善七自由度協作機器人動力學模型，為實現機器人拖動示教提供一定的理論基礎。

機器人末端負載動力學模型是機器人末端加入負載之后，計算機器人末端負載對機器人各個關節產生的力矩，其表達式為：

式中，JF為機器人力雅克比矩陣;Fpayload為機器人末端力旋量; payload為末端負載對機器人關節產生的力矩矢量。七自由度協作機器人動力學模型，其表達式為：

將末端負載動力學模型加入到機器人動力學模型中，得到帶末端負載的機器人動力學模型，其表達式為：

由此可以看出，機器人機械本體和末端負載對機器人關節力矩的貢獻是分開的，兩者不存在耦合效應。因此，機器人末端負載動力學模型能單獨計算，并且不會對機器人本體動力學模型產生耦合影響。

當機器人末端負載改變時，由于機器人末端抓取的負載大小形狀已知，需要將新的負載的質量和質心位置以及慣性張量輸入到末端負載動力學模型中，對機器人各個關節進行末端負載力矩補償，但實際工作過程中，大部分情況下無法確定末端負載的慣性張量，所以不能對機器人進行完整的末端負載力矩補償。

3.仿真與分析

3.1拖動示教

本文對末端負載動力學模型進行仿真及分析。

將機器人各個關節的角速度仿真數據作為已知量，計算出機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，機器人末端加速度不會出現驟增或驟減的現象，因此，圖3-1中的結果表明操作人員能夠快速、靈活地拖動機器人。

3.2碰撞檢測

本文提出了帶末端負載的機器人碰撞檢測算法，并對該算法進行了仿真實驗。

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

仿真結果表明，本文提出的碰撞檢測方法實現了帶末端負載的機器人碰撞檢測。

參考文獻：

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（作者單位：滄州師范學院）