协作机器人零力控制与碰撞检测技术研究

发布时间：2020-08-21 22:16

【摘要】：传统工业机器人安全性较差,需要护栏等诸多限制条件,且传统工业机器人的决策与智能控制远远没有达到预定的效果。协作机器人的出现,将在很大程度上加快机器人的普及,同时为我们提供了一个让机器人走入普通人生活的可能性,实现真正的人机协作。本文以协作机器人为研究对象,探索新型驱动原理,将无框直驱电机和具有一定柔性的谐波减速机进行高密度集成,研制出高功率密度比机电一体化关节,并进行关节系列化和模块化设计。基于运动学与动力学理论,攻克协作机器人研究中零力矩控制与碰撞检测技术难点,实现协作机器人拖动示教和碰撞检测功能。根据零力矩控制算法建立具有包含静摩擦、库伦摩擦与黏滞摩擦力在内的非线性动力学模型,提高机器人零力控制算法的精度,满足外力引导下的拖动示教功能。针对碰撞检测提出了两种无力矩传感器下的碰撞检测方法。本文主要研究内容和创新点有以下几个方面:1、高功率密度比模块化关节及机器人系统设计:探索协作机器人的新构型设计方法,对机器人整体构型及六自由度配置进行优化。采用基于数值优化和有限元模拟相结合的多目标轻量化设计方法,对本体结构进行轻量化设计,设计高强度轻薄外壳。根据机器人最大负载及转速要求,对本机器人两种模块化关节的电机及谐波减速机进行转矩校验。研究新型驱动原理,将无框直驱电机与具有一定柔性的谐波减速机进行高密度集成,研制出高功率密度比机电一体化关节,并进行系列化和模块化。设计的新型柔性制动机构,在简化关节结构的同时更有利于散热,为协作机器人关节结构设计提供新思路。2、新构型协作机器人正逆运动学解析法:机器人的正运动学和逆运动学的求解是联系机械系统与运动控制系统的关键过程。为得到六自由度轻型协作机器人逆运动学闭合解,利用解析法求解机器人的全部8组逆解。该方法能够有效确保证机器人运动学求解过程的实时性和准确性。最后,通过Matlab仿真验证该解析法的准确性与有效性。同时,根据该协作机器人的正解,采用随机概率-蒙特卡洛法得到机器人的可达操作空间。根据所设计的轻型协作机器人的构型及机器人逆解,分析该机器人的奇异位形,为运动控制过程中避奇异位置提供有力的理论支撑。3、基于力矩补偿的零力控制技术:通过克服机器人自身重力和摩擦力,使机器人在外力牵引下只需克服较小的惯性力即可顺应外力移动。采用基于最小二乘法的机器人参数辨识方法,通过低速动态平衡原理,对机器人转矩灵敏度及摩擦力参数进行准确辨识。通过分别控制相同位置下不同速度及相同速度下不同位置的方式实现黏滞摩擦与库伦摩擦力的辨识。在补偿重力矩与静摩擦力的基础上增加黏滞摩擦与库伦摩擦力的补偿值,从而实现更加精确的力矩补偿控制,使得机器人零力拖动示教更加精确,拖动过程更加顺畅。4、无力传感器下的碰撞检测算法:针对无力传感器下的碰撞检测,提出一种基于广义动量观测器的碰撞检测技术。在动力学模型的基础上,引入广义动量观测器,无需计算及检测加速度值,从而避免加速度信息不稳定性对碰撞检测的影响。同时在动力学模型中引入经典摩擦力模型,提高整个动态模型的精度。根据碰撞要求设定合适的阈值rth,当残差值超过阈值时则说明机器人与外界发生了碰撞。该碰撞检测算法只需测量机器人关节编码器的位置信息,可以在没有任何力传感器或加速度传感器的情况下进行实时检测。5、双编码器碰撞检测方法:基于机器人特殊的关节设计,提出一种基于双编码器的碰撞检测新方法。利用谐波减速机的等效柔性特征,通过双编码器的位置误差检测实现低成本检测外力碰撞,使机器人能够实现实时的碰撞检测功能。同时提出三种碰撞后反应策略,振荡模式、零力矩响应模式及被迫停止模式。根据实际需要,选择不同的反应策略以实现不同的碰撞检测效果。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【图文】：

各个关节均配置了扭矩传感器，使得关节柔性增大，同时使得机器人整体成本大逡逑幅增加，导致该机器人无法在工业自动化领域得到广泛推广。逡逑Ｇｏｍｔｅｃ在２０１４年推出了协作机器人ｒｏｂｅｒｔａ，如图１．３所示。Ｒｏｂｅｒｔａ机器人采逡逑３逡逑

的安全性的目的，但是相应的成本也大幅提高。逡逑Ｓａｍｉ邋Ｈａｄｄａｄｉｎ于２０１６年在德国慕尼黑创建了ＦｒａｎｋａＥｍｉｋａ公司［１６］。Ｓａｍｉ在逡逑ｉｉｗａ的研宄基础上推出了更具竞争优势的Ｆｒａｎｋａ机器人，如图１．４所示。该机器人逡逑具有７个自由度，机器人自重１８．５Ｋｇ，有效负载３Ｋｇ，工作半径８５５ｍｍ，重复精逡逑度±０．１邋ｍｍ。７个关节均装有力矩传感器，能够感知外部碰撞力，具有碰撞响应逡逑灵敏，碰撞保护后通过轻触能够重新进入预定轨迹的优点。低价、智能、编程简逡逑单也使得该机器人成为了协作机器人焦点。但是该机器人同样采用力矩传感器检逡逑测外力，使得机器人硬件成本较高，同时机器人负载能力本体结构刚性较弱。逡逑＼邋ｍｗ逡逑图１．邋３邋Ｇｏｍｔｅｃ的单臂机器人ｒｏｂｅｒｔａ［１５］邋图丨？邋４邋Ｆｒａｎｋａ邋Ｅｍｉｋａ公司的Ｆｒａｎｋａ机器人［１６］逡逑２０１５年ＫＮＯＶＩＡ公司针对残疾人辅助行业，推出了一款６自由度协作机器人逡逑ＪＡＣＯ［１７］。机械臂连杆由碳纤维材料制成，自重５．３Ｋｇ，有效负载１．３Ｋｇ，工作逡逑半径９００ｍｍ，其在末端配有３指手爪，便于抓取物体。机械臂的模块化配置及驱逡逑动器的低后坐力使其能够很好地帮助病人完成一些特定动作

逡逑图１．５协作机器人ＪＡＣＯ逡逑１．３．２国内协作机器人逡逑国内协作机器人的研宄随着巨大需求的提出，许多研发机构、高校及机器人逡逑公司相继进入协作机器人开发的领域，推出了多款比较有特色的协作机器人产品逡逑或样机。逡逑大族电机推出的６自由度协作机器人Ｅｌｆｉｎ［１９］，如图１．邋６所示。Ｅｌｆｉｎ５系列机逡逑器人自重２３Ｋｇ，有效负载５Ｋｇ，工作半径８００ｍｍ，重复精度能够达到±０．０３ｍｍ。逦／逡逑机器人关节的中空无框力矩电机由大族自主研发，能够满足机器人关节的中空走逡逑线模块化设计，具有大扭矩，高可靠性等优点，但是相对于该有效负载，机器人逡逑自重稍大。逡逑＾逦Ａ逡逑广一？逦７逡逑＆：＇ｎ逡逑图１．６大族电机开发的Ｅｌｆｉｎ［１９］逦图１．邋７新松７自由度协作机器人［２０］逡逑新松机器人推出的冗余自由度（７自由度）协作机器人ＳＣＲ５，机器人本体自逡逑重３３．８Ｋｇ

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本文编号：2799918