專(zhuān)利名稱(chēng)：一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碰撞檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)今高速發(fā)展的社會(huì)中，不管是工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)業(yè)機(jī)器人，碰撞檢測(cè)都是非常重要的，它起到保護(hù)人類(lèi)安全的同時(shí)也起到保護(hù)機(jī)器人安全的作用。當(dāng)前常用的檢測(cè)碰撞方法主要是通過(guò)視覺(jué)或力矩傳感器來(lái)檢測(cè)的。對(duì)于視覺(jué)檢測(cè)，根據(jù)《基于圖像的快速碰撞檢測(cè)算法》這篇論文，由于視覺(jué)處理這種方法需要大量的運(yùn)算，而且算法的效率極大地取決于物體模型的表示方法和物體所處場(chǎng)景的復(fù)雜程度，同時(shí)由于物體空間的碰撞檢測(cè)只在物體幾何空間進(jìn)行，巨大的計(jì)算量往往使得系統(tǒng)不堪重負(fù)，特別在復(fù)雜的大規(guī)模場(chǎng)景中要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互顯得尤為困難。雖然有人提出一些方法可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，但是仍然無(wú)法從根本上根除上述圖像處理提到問(wèn)題。對(duì)于通過(guò)力矩傳感器的檢測(cè)方法，根據(jù)《力矩傳感器的設(shè)計(jì)及其在操作臂上的應(yīng)用》和《基于碰撞檢測(cè)的護(hù)理型操作臂的安全性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》這兩篇論文，因?yàn)樵跈C(jī)器人的設(shè)計(jì)階段就需要考慮到力矩傳感器的安裝，所以它并不一定適合應(yīng)用在所有現(xiàn)有的機(jī)器人上；而且它的成本比較高，再者，單純的力矩檢測(cè)在機(jī)器人實(shí)際調(diào)試中會(huì)出現(xiàn)很多誤判的情況，雖然現(xiàn)在利用有限元的方法可以減少這種誤判，但是相應(yīng)地提高了不少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)CN101201280公開(kāi)的碰撞檢測(cè)裝置、碰撞檢測(cè)方法及應(yīng)用其的機(jī)器人和吸塵器，它是一種碰撞檢測(cè)裝置，包括本體、位于本體外周的至少一氣囊，以及至少一氣壓檢測(cè)器。此些氣囊彼此連通，每一該氣囊與每一該氣壓檢測(cè)器連接，以檢測(cè)各該氣囊在各時(shí)間的壓力值，及氣囊的壓力變化。借由氣壓檢測(cè)器所測(cè)得的壓力變化，來(lái)判斷碰撞的有無(wú)及碰撞的力量。借由各該氣囊在各時(shí)間的壓力值求出碰撞發(fā)生的時(shí)間及位置。該方法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但是響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而且需要為機(jī)器人安裝氣囊及相應(yīng)的設(shè)備，不一定適用于所有機(jī)器人設(shè)備。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)CN1623741公開(kāi)的一種多機(jī)械臂機(jī)器人關(guān)節(jié)間的碰撞檢測(cè)方法， 提供一種多機(jī)械臂機(jī)器人關(guān)節(jié)間的碰撞檢測(cè)方法，采用一種計(jì)算機(jī)程序控制方法檢測(cè)多機(jī)械臂機(jī)器人關(guān)節(jié)的碰撞，通過(guò)對(duì)多臂機(jī)器人分析，發(fā)現(xiàn)只要在多臂機(jī)器人的各關(guān)節(jié)兩端安裝上傳感器，再在多臂機(jī)器人工作過(guò)程中，利用這些傳感器，可容易地得到機(jī)械臂上各關(guān)節(jié)的端點(diǎn)空間坐標(biāo)，將多臂機(jī)器人機(jī)械臂上各關(guān)節(jié)所處的空間位置以空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)傳感器用電信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再根據(jù)任意空間兩線(xiàn)段之間的最短距離用程序控制的方法來(lái)判別兩個(gè)有長(zhǎng)度限制的圓柱狀狀物體的機(jī)械干涉關(guān)系，采用離散檢測(cè)算法就可以進(jìn)行多臂機(jī)器人關(guān)節(jié)間的碰撞檢測(cè)。該方法具有比較強(qiáng)的理論可行性，但是具體的操作需要提供機(jī)器人的模型，對(duì)于不同機(jī)器人模型算法都需要重新設(shè)計(jì)，而且此方法只能應(yīng)用于已知環(huán)境，它無(wú)法對(duì)未知環(huán)境有否發(fā)生碰撞進(jìn)行判斷，因而不具有簡(jiǎn)單通用的特點(diǎn)。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)CN1987351公開(kāi)的三次元離線(xiàn)碰撞檢測(cè)系統(tǒng)及方法，提供一種三次元離線(xiàn)碰撞檢測(cè)方法，包括如下步驟輸入一運(yùn)動(dòng)物體、一待測(cè)物體及所量測(cè)的單點(diǎn)坐標(biāo)及其向量；建立碰撞檢測(cè)模型，且分別合并模型；輸入所述運(yùn)動(dòng)物體的參數(shù)，并計(jì)算該運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)；根據(jù)所計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)行；檢測(cè)是否有碰撞；若有碰撞，則用一指定顏色繪制該運(yùn)動(dòng)物體起始點(diǎn)和碰撞點(diǎn)之間的路徑線(xiàn)，且輸出碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)；若沒(méi)有碰撞，則用不同于所述指定的顏色繪制該運(yùn)動(dòng)物體起始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的路徑線(xiàn)。利用本發(fā)明，可以避免機(jī)臺(tái)發(fā)生安全事故，節(jié)省成本，提高量測(cè)效率。此方法和上述“一種多機(jī)械臂機(jī)器人關(guān)節(jié)間的碰撞檢測(cè)方法” 一樣，需要提供機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)的模型和機(jī)器人自身的模型，它能對(duì)已知環(huán)境的碰撞進(jìn)行預(yù)測(cè)，但不能在位置環(huán)境判斷碰撞發(fā)生。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)CN101719173A公開(kāi)的一種面向?qū)ο蟮牟⑿信鲎矙z測(cè)方法、裝置及系統(tǒng)，公開(kāi)了一種面向?qū)ο蟮牟⑿信鲎矙z測(cè)方法、裝置及系統(tǒng)，由主控制結(jié)點(diǎn)根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體列表，生成所有需做碰撞檢測(cè)的物體對(duì)的列表，空閑結(jié)點(diǎn)向主控制結(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求做碰撞檢測(cè)的信息，主控制結(jié)點(diǎn)收到上述請(qǐng)求做碰撞檢測(cè)的信息后，將需做碰撞檢測(cè)的物體對(duì)列表中的物體對(duì)分配給各空閑結(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行碰撞檢測(cè)。該方法、裝置及系統(tǒng)在保證碰撞響應(yīng)唯一性、完全性的同時(shí)，還能降低算法的復(fù)雜性，進(jìn)一步提高碰撞檢測(cè)速度。此方法用于規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的碰撞軌跡，通過(guò)檢測(cè)被碰撞物有否發(fā)生移動(dòng)來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞，這種方法需要提供一個(gè)無(wú)干擾的環(huán)境，也就是說(shuō)其無(wú)法對(duì)未知環(huán)境的碰撞進(jìn)行判斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，提出一種新的簡(jiǎn)單方法來(lái)檢測(cè)機(jī)器人發(fā)生碰撞。本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，包括如下步驟
第一步機(jī)器人的電機(jī)上安裝電流傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的電流值孔約，電機(jī)使用閉環(huán)控制以獲機(jī)器人當(dāng)時(shí)的位置誤差1沐)；
第二步利用公式(1)計(jì)算碰撞標(biāo)量；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前的大于碰撞閾值￡、即
可認(rèn)為機(jī)器人發(fā)生了碰撞；
D(k) = mxl(k)xS(k) (1)
Di
式中■ = ☆。At為碰撞閾值；當(dāng)實(shí)際檢測(cè)計(jì)算出來(lái)的碰撞標(biāo)量大于這個(gè)值，則表明此時(shí)發(fā)生了碰撞。八為期望最大電流值Ji!可以為定值，也可以為變量；例如在直角坐標(biāo)平臺(tái)上，
勻速移動(dòng)時(shí)軸受力基本恒定，這時(shí)可以取這個(gè)值為定值，又或者在六軸機(jī)器人上，機(jī)械臂受力隨機(jī)械人不同位姿變化而變化，這時(shí)可以把這個(gè)值設(shè)為與位姿有關(guān)的一個(gè)變量。Ei為期望最大誤差；同理也可以因使用的環(huán)境和算法把它設(shè)為一個(gè)定值或者一個(gè)變量。所述的一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，其特征在于電流傳感器安裝在電機(jī)的上電端。本發(fā)明的原理當(dāng)機(jī)器人處于平滑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電流值是平穩(wěn)且變化不大的，但是當(dāng)機(jī)器人發(fā)生碰撞造成位置誤差時(shí)，為了產(chǎn)生更大的力矩來(lái)消除誤差，這時(shí)電流值就會(huì)突然增加，但位置誤差并不一定能減少到理想值。公式(1)是由電流信號(hào)和位置誤差再乘上一個(gè)標(biāo)量而成的，通過(guò)選取合適的顯值， 利用測(cè)量到的數(shù)據(jù)可算出當(dāng)前的碰撞標(biāo)量,若￡)休)的值超出碰撞閾值A(chǔ)t，則可判斷機(jī)器人發(fā)生了碰撞。機(jī)器人按平滑的軌跡來(lái)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)位置誤差，電流值《句將會(huì)增大，使位置誤差S^)減少，因而碰撞標(biāo)量是平穩(wěn)變化。當(dāng)機(jī)器人發(fā)生碰撞時(shí)，電流信號(hào)和誤差信號(hào)將會(huì)同時(shí)增大，使碰撞標(biāo)量瞬間增大，若￡)沐)超過(guò)一個(gè)特定范圍，則表明發(fā)生了碰撞。其運(yùn)行原理如圖1所示。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果
(1)在電機(jī)上安裝電流傳感器比安裝力矩傳感器或攝像頭要容易得多。(2)對(duì)比起傳統(tǒng)測(cè)量碰撞的方法，本方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)。(3)只要是通過(guò)電機(jī)和閉環(huán)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人就能應(yīng)用此技術(shù)，而且不需要改變?cè)瓉?lái)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)，其面向?qū)ο蠓秶葌鹘y(tǒng)方法更廣。


圖1是機(jī)器人碰撞檢測(cè)的運(yùn)行原理圖。
圖2是實(shí)施例中的ACS712連接電路圖。
圖3是機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖4是無(wú)碰撞的運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖5是帶碰撞的運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，包括如下步驟
第一步機(jī)器人的電機(jī)上安裝電流傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的電流值(均，電
機(jī)使用閉環(huán)控制以獲取機(jī)器人當(dāng)時(shí)的位置誤差S(幻；
第二步利用公式(1)計(jì)算碰撞標(biāo)量幻；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前的D(A)大于碰撞閾值￡^即
可認(rèn)為機(jī)器人發(fā)生了碰撞；
所述的一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，其特征在于電流傳感器安裝在電機(jī)的上電端?，F(xiàn)以傳統(tǒng)工控機(jī)為控制器，通過(guò)固高運(yùn)動(dòng)控制卡控制多關(guān)節(jié)型機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平
5臺(tái)。(1)為了得到公式中的當(dāng)前位置誤差5沐)，采用插補(bǔ)的方法來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃,設(shè)定時(shí)間間隔為巧，通過(guò)軌跡生成器生成軌跡路徑β ,且有
Qi=f(&iA^i)(3)
其中， 表示電機(jī)期望運(yùn)行到的角度，4表示電機(jī)期望運(yùn)行的角速度，式表示電機(jī)期
望運(yùn)行的角加速度，若當(dāng)前目標(biāo)軌跡為β乂幻，而當(dāng)前測(cè)得的軌跡為，則可求得當(dāng)前軌跡誤差為
E(k) = QJk-J-Q^)(4)
經(jīng)過(guò)？；后，目標(biāo)軌跡變?yōu)棣耝λ+!),于是，新的軌跡誤差為
4(^+1) = ++(5)
通過(guò)每個(gè)周期計(jì)算得到新的軌跡誤差，利用算法來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使其不斷趨向軌跡。實(shí)際應(yīng)用中，使用其他算法實(shí)現(xiàn)也可，但是必須保證電機(jī)在閉環(huán)控制下運(yùn)行，即能反饋當(dāng)前位置。( 2)為了得到公式(1沖的當(dāng)前檢測(cè)電流值_ ,檢測(cè)電流的芯片選用霍爾電流傳感器ACS712，連接電路圖如圖2所示，ACS712最大能測(cè)量±5J的電流，它能將通過(guò)IP+和 IP-的電流大小線(xiàn)性轉(zhuǎn)換成0-5V電壓大小，通過(guò)0-5V的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣后，獲得的數(shù)值進(jìn)行如下公式處理
/7/ _ $ -1、
1O,= m2； ^⑷
其中為當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換器采樣VIOUT端獲得的數(shù)值，η為A/D轉(zhuǎn)換器的采樣位數(shù)，通過(guò)上面公式能獲得當(dāng)前電流值的大小。把電流傳感器安裝在電機(jī)的上電端，使其可以檢測(cè)出當(dāng)前流過(guò)電機(jī)的電流即可。(3)選用合適的碰撞閾值A(chǔ)t ,計(jì)算出相應(yīng)的m值。(4)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)檢測(cè)到碰撞標(biāo)量D(A)大于碰撞閾值A(chǔ)t ,即表明機(jī)器人發(fā)生了碰撞，可執(zhí)行相應(yīng)的操作。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃，通過(guò)檢測(cè)位置誤差，利用算法來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行的速度， 從而對(duì)機(jī)器人軌跡誤差進(jìn)行修正，使其在平臺(tái)上保持高速勻速移動(dòng)，取At =5，/, =IA, Ei =0. 5mm，根據(jù)公式(1)求得《 = 10/(^4. ),采集數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)如圖4所示。在直角坐標(biāo)機(jī)器人上加上一根粗繩作為障礙物，和上面一樣使用同樣的參數(shù)來(lái)運(yùn)行機(jī)器人，使其把繩子扯斷，記錄得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了/(X) , 5㈨和鞏灼三個(gè)變量，從上面各圖中可以看出，單從/(Ar)和來(lái)看并不能準(zhǔn)確有效地判斷出電機(jī)是否發(fā)生碰撞，但當(dāng)使用公式(1)算出碰撞標(biāo)量￡)(i)后不僅能清楚看出是否發(fā)生碰撞，并且能判斷出發(fā)生碰撞的位置。
權(quán)利要求
1.一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，其特征在于包括如下步驟第一步機(jī)器人的電機(jī)上安裝電流傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的電流值 m ;電機(jī)使用閉環(huán)控制以獲取機(jī)器人當(dāng)時(shí)的位置誤差；第二步利用公式(1)計(jì)算碰撞標(biāo)量；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前的大于碰撞閾值Di.即可認(rèn)為機(jī)器人發(fā)生了碰撞；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，其特征在于電流傳感器安裝在電機(jī)的上電端。
全文摘要
本發(fā)明提出一種判斷機(jī)器人運(yùn)行是否發(fā)生碰撞的方法，通過(guò)計(jì)算一個(gè)碰撞標(biāo)量來(lái)衡量機(jī)器人在實(shí)時(shí)運(yùn)作中是否發(fā)生碰撞。這種檢測(cè)方法涉及兩個(gè)變量，一個(gè)是機(jī)器人在閉環(huán)運(yùn)行情況下的位置誤差，另一個(gè)是機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中流過(guò)電機(jī)的電流值。當(dāng)前軌跡的位置誤差和實(shí)時(shí)測(cè)量的電流值的即可合成一個(gè)碰撞標(biāo)量，通過(guò)比較碰撞標(biāo)量和已設(shè)定好的碰撞閾值，即可檢測(cè)機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)是否發(fā)生碰撞。本發(fā)明只需在電機(jī)上安裝電流傳感器即可實(shí)現(xiàn)，且不需要改變?cè)瓉?lái)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)，測(cè)量碰撞方法簡(jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算量低，應(yīng)用前景好。
文檔編號(hào)G01V3/00GK102426391SQ20111026090
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者張鐵, 林君健, 鄒炎飚 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)