【摘 要】
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碰撞检测与响应技术是保障机器人安全性的有效手段,目前主要采用检测与控制技术感知外界干扰并控制响应,保障机器人安全工作,存在成本高、控制算法复杂、动力学参数精度要求高等问题。因此本文提出一种基于电流反馈的碰撞检测算法,实现机器人无传感器碰撞检测;根据机器人的实际工况,设计碰撞响应策略,提高机器人工作的安全性;搭建关节臂机器人实验平台,结合具体工况进行碰撞与响应实验,验证碰撞检测算法与响应策略的可行性
【基金项目】
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国家重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”重点专项:施工现场构件高效吊装安装关键技术与装备-工业化建筑构件吊装安装自动控制技术与系统研究,编号:2017YFC0703903； 企业项目:钢构件焊接机器人系统研发及应用；
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碰撞检测与响应技术是保障机器人安全性的有效手段,目前主要采用检测与控制技术感知外界干扰并控制响应,保障机器人安全工作,存在成本高、控制算法复杂、动力学参数精度要求高等问题。因此本文提出一种基于电流反馈的碰撞检测算法,实现机器人无传感器碰撞检测;根据机器人的实际工况,设计碰撞响应策略,提高机器人工作的安全性;搭建关节臂机器人实验平台,结合具体工况进行碰撞与响应实验,验证碰撞检测算法与响应策略的可行性。本文主要研究内容及工作如下:（1）建立了联合机器人动力学与电机力矩的电流-力矩模型。在动力学分析的基础上,阐述了机器人碰撞与电机电流之间的关系,分析了基于电流反馈的碰撞检测机理。基于Simulink仿真库搭建了伺服电机控制系统,并进行碰撞仿真,验证了电流-力矩模型的有效性。（2）设计了基于电流反馈的碰撞检测算法。采用卡尔曼滤波法对电流进行滤波去噪处理,减少电流噪声干扰。结合电流-力矩模型,分析了基于理论电流值和基于电流变化值的单阈值碰撞检测方法。在此基础上,提出了一种包括固定阈值与动态阈值的双阈值碰撞检测新算法,适用于不同运动状态下的机器人碰撞检测。（3）设计了一种机器人碰撞响应控制策略。根据机器人运行工况,分析了常见的机器人碰撞类型;在机器人逆运动学分析的基础上,采用S型速度曲线进行了碰撞响应动作的轨迹规划;分析了关节电机双编码器的结构特性,针对不同的工况,设计了基于位置控制和基于力柔顺控制的碰撞响应策略。（4）搭建了基于EtherCAT总线的关节臂机器人实验平台。开发了机器人控制软件,通过C#与Matlab联合编程技术,在软件层实现碰撞检测与响应控制算法;进行了机器人碰撞与响应实验,分析了机器人在不同工况下碰撞响应时电机电流、关节位置、双编码器角度差以及关节估计力矩等数据的变化情况,验证了碰撞检测算法与碰撞响应策略在实际工程应用中的可行性。
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