面向人机交互的机械臂碰撞检测与物理协作技术研究

发布时间：2021-11-16 13:44

　　在人们的预期中,机器人可以在日常环境中完成与人类的互动和亲密接触,同时也可以在工业场景中帮助人类进行复杂及体力要求高的工作。这种共存与协作的实现前提是保障人类的安全,及时防止可能发生的意外碰撞,在安全可靠的基础之上,对不可避免或有意的物理接触进行处理,并做出基于感知的运动反应,这也是物理人机交互（pHRI）发展的核心问题。因此,本文针对现有的机器人结构,旨在探究无外部传感器的情况下,实现人机安全物理交互的可能性,主要从碰撞检测、时变阈值、意图检测和外力信息等方面进行了研究与讨论。首先,建立准确的机器人动力学模型是本文研究工作的基础。采用结合了旋量理论的牛顿-欧拉法对动力学方程进行推导,降低传统建模方法的计算复杂程度,提高了快速性与实时性。同时为了实现机器人运动的更准确描述,提出一种利用最小二乘思想的参数辨识方法,对建立的关节非线性摩擦模型进行了准确辨识。之后在验证模型正确的前提下,引入并优化了基于广义动量的扰动观测器,实现外部扰动的跟踪。提出一种基于误差补偿的时变阈值建立方法,改善传统的固定阈值在碰撞过程中的检测精度问题。以上研究旨在确保人机共存时人类的安全性,以此为基础,本文对物理人... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：96 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

物理人机交互：左上图是阿西莫夫的机器人小说Robbie中的一幕，右上图是科幻电影钢铁侠中展现的人与机械臂协同工作，左下方是一个人与KUKA的LWR-III型机器人互动，右下图是与DLR的类人上半身系统Justin互动

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文机器人上安装传感器（如机载视觉[7]或 RGB-D 深度摄对位置，预判人机相对运动，评估危险指数，并采取相的发生[9-10]，如图 1-2 所示。为此，有几种反应性运动检测到机器人即将发生碰撞时，调整机器人姿态并采用撞或使潜在碰撞伤害最小。这些措施可以较好地提高机传感器易受外部环境的影响，且需要处理的信息量较大潜在危险检测的准确性有一定影响。

图 1-3 基于视觉传感器的实时避碰与路径规划.2.2 机械臂碰撞检测技术碰撞检测技术作为物理人机交互发展的核心，其目的是解决不可避免或预测的碰撞接触过程中人类的安全问题。同时，以碰撞检测为基础衍生出触检测技术，一定程度上为人机交互过程提供了触觉相关的通道。机器人与人类一旦发生不可避免的碰撞，很大可能会造成人身伤害或更的后果，如德国大众集团工厂的悲剧事件，22 岁的技术人员遭遇机器人撞幸身亡[21]。为了在最坏的情况下依然可以保障人的安全，机器人自身必须感知到碰撞并做出及时的反应。因此当撞击发生后，尽可能快地检测在机任何地方发生的碰撞就成了首要任务。国内外的研究人员在这一领域做出少的努力，形成了多种检测方法，目前常见的碰撞检测方法可通过有无使感器来进行分类。（1） 无外部传感器的碰撞检测方法最直观和容易理解的方案是将机械臂的输出力矩（或电机的驱动电流）

【参考文献】：
期刊论文
[1]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永.  机械工程学报. 2014(09)

博士论文
[1]协作机器人零力控制与碰撞检测技术研究[D]. 陈赛旋.中国科学技术大学 2018
[2]基于表面肌电信号的人机动作信息传递研究[D]. 梁培栋.哈尔滨工业大学 2017
[3]多自由度串联机器人关节摩擦分析与低速高精度运动控制[D]. 吴文祥.浙江大学 2013

硕士论文
[1]机械臂的碰撞检测研究[D]. 赵汉杰.哈尔滨工业大学 2017
[2]工业机器人的碰撞辨识与安全控制[D]. 吴国魁.福州大学 2014



本文编号：3498999