一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法与流程

本发明属于机器人拖动示教领域，更具体地，涉及一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法。

背景技术：

随着机器人技术的不断进步，机器人在工业生产中发挥越来越重要的作用。目前，机器人的示教主要依赖于示教器操作实现，但是该方法示教过程繁琐、效率低、且对操作者的技术水平要求较高，已经不能满足现代机器人易用性的要求。机器人拖动示教就是操作者直接拿着机器人的末端移动机器人到达指定位姿或沿特定轨迹移动，同时记录示教过程的位姿数据，以直观的方式对机器人进行示教。与示教器示教相比，拖动示教能够明显提高示教编程的效率，也对操作者的要求降低了很多。

目前工业机器人拖动示教主要有两种方法：依赖外部力矩传感器的拖动示教和无力矩传感器的拖动示教。依赖外部传感器的拖动示教在机器人关节或者末端安装力矩传感器，当拖动机器人进行移动的时候，控制系统将力或力矩信号通过导纳控制转换为位置偏移信号进而实现拖动示教。这种方法需要昂贵的力矩传感器，不适用于低成本小负载的机器人并且需要控制系统配置额外的资源处理数据。无力矩传感器的拖动示教，通过动力学模型和外力估计算法，结合机器人关节驱动力、电机编码器等自身采集信息，完成重力、摩擦力等关节运动需要驱动力的补偿，使机器人处于近零力控制状态，使得可以手动拖动机器人移动，无力矩传感器的拖动示教可以以较低的系统成本实现与力矩传感器接近的拖动示教效果。虽然基于动力学模型的无力矩传感器拖动示教可以在较低的系统成本实现直接拖动示教的效果，但是在拖动过程中存在静摩擦力难以准确建模，拖动启动过程时不能对静摩擦力进行补偿，出现明显的卡顿现象。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法，旨在解决拖动示教启动过程中由于静摩擦力而导致的卡顿现象，通过本发明的方法可以流畅的启动或停止机器人拖动示教，无明显的卡顿出现。

为实现上述目的，本发明提出了一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法，其包括如下步骤：

s1拖动工业机器人，在整个拖动过程中实时计算当前位姿下机器人各连杆的力矩，并将各力矩作为指令力矩发送给各连杆对应的伺服电机；

s2实时采集机器人各关节的当前位置，并与上一采样周期的位置进行比较，当两个采样周期的位置差大于给定的阈值时进入即将运动状态；

s3在即将运动状态给各电机施加辅助冲击力矩使各关节处于激活状态，实时采集各关节当前的速度，并与上一采样周期的速度进行比较，当两个采样周期的速度差大于给定的阈值时进入运动状态；

s4在运动状态停止施加辅助冲击力矩，使得伺服电机仅在指令力矩作用下动作，以使机器人进入正常的拖动示教状态，以此完成无力矩传感器工业机器人拖动示教。

作为进一步优选的，所述辅助冲击力矩采用如下公式计算：

τ＝τ0+kpε

其中：τ为辅助冲击力矩，τ0为辅助力矩的基准值，kp为可调节参数，ε为当前采样周期与上一采样周期的关节位置差。

作为进一步优选的，计算当前位姿下各连杆的力矩具体为：实时采集机器人各关节的当前位置、速度和加速度，根据采集的位置、速度和加速度通过逆动力学模型计算出当前位姿下各连杆的力矩。

作为进一步优选的，所述指令力矩采用如下公式计算：

其中：τ为指令力矩，g(q)分别为关节端的惯性力、科氏力、重力，为关节摩擦力，q为关节位置，为关节速度，为关节加速度。

作为进一步优选的，还包括如下步骤：s5机器人进入正常的拖动示教状态后，实时采集各关节的当前速度，并与上一个采样周期的速度进行比较，当两个采样周期的速度差小于给定的阈值时进入即将停止状态。

作为进一步优选的，还包括如下步骤：s6在即将停止状态给各关节伺服电机施加反向冲击力矩，实时采集机器人各关节的当前位置，并与上一采样周期的位置进行比较，当两个采样周期的位置差小于给定阈值时进入停止状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明无力矩传感器工业机器人拖动示教方法在启示时通过施加辅助冲击力矩，以对机器人启动过程中的静摩擦力进行有效补偿，使得启动过程中无明显的卡顿现象，改善拖动示教的体验。

2.本发明无力矩传感器工业机器人拖动示教方法在即将停止状态时通过施加方向冲击力矩，以使得伺服电机快速停下，保证停止更加流畅及示教效率。

3.本发明实施过程简单易行，具体实现效果明显，可有效降低动力学建模过程中静摩擦力的建模难度。

4.采用现有拖动示教方法时，机器人启动过程中明显存在卡顿、不顺畅的问题，而采用本发明的拖动示教方案后，可流畅拖动机器人，可明显减少拖动示教时间，大概减少约10％的时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

工业机器人拖动示教相对于传统的示教器示教拥有操作简便、对操作工人要求比较低的特点。工业机器人拖动示教主要是借助动力学模型，实时的计算当前电机的驱动力矩，补偿连杆重力、惯性力和动摩擦力，使得机器人基本处于零力状态。由于机器人动力学建模时静摩擦力很难进行准确建模，所以当拖动示教启动的时候会有静摩擦力的影响导致明显的卡顿现象，影响拖动示教的流畅性。为了解决拖动示教中明显的卡顿现象，本发明研究发明了设计了一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法，其可将拖动示教启动的过程分为四个状态：停止状态、即将运动状态、运动状态和即将停止状态，以流畅拖动机器人，无明显卡顿现象。

如图1所示，本发明实施例提供的一种无力矩传感器工业机器人拖动示教方法，包括如下步骤：

s1持续拖动工业机器人(例如由操作者拖动)，在整个拖动过程中实时计算当前位姿下机器人各连杆的力矩，并将各力矩作为指令力矩发送给各连杆对应的伺服电机，使得各伺服电机在对应的力矩下动作，该补偿过程在整个拖动过程中持续进行；

s2实时采集机器人各关节的当前位置，并与上一采样周期的位置进行比较，当两个采样周期的位置差大于给定的阈值时进入即将运动状态，即进入步骤s3，即机器人一直在拖动，伺服电机一直在各自的指令力矩作用下动作，直至两个采样周期的位置差大于给定的阈值时进入步骤s3，采样周期具体为多个伺服周期(例如伺服周期为4ms，每隔4个伺服周期进行一次采样，下同)；

s3给各电机施加辅助冲击力矩使各关节处于激活状态，辅助冲击力矩的方向与各关节即将运动的方向保持一致，实时采集各关节当前的速度，并与上一采样周期的速度进行比较，当两个采样周期的速度差大于给定的阈值时进入运动状态，即进入步骤s4，即机器人一直在拖动，伺服电机一直在各自的指令力矩和辅助冲击力矩作用下动作，直至两个采样周期的速度差大于给定的阈值时进入步骤s4，采样周期具体为多个伺服周期；

s4停止给各伺服电机施加辅助冲击力矩，使得伺服电机仅在指令力矩(即步骤s1中实时计算的指令力矩)作用下动作，以使机器人进入正常的拖动示教状态，以此完成无力矩传感器工业机器人拖动示教。

具体的，步骤s1中计算当前位姿下各连杆的力矩具体为：实时采集机器人各关节的当前位置、速度和加速度，根据采集的位置、速度和加速度通过逆动力学模型计算出当前位姿下各连杆的力矩。其中，采样周期为伺服电机的伺服周期，以使得伺服电机在对应的力矩下动作，保证机器人各连杆保持所需姿态，不至于掉落。具体的，关节位置通过编码器获取，通过关节位置微分的方法得到关节速度，通过关节速度微分的方法得到关节加速度，其为现有技术，在此不赘述。具体的，机器人各关节分开独立测试，例如实时采集机器人第一关节的当前位置并与第一关节的上一采样周期采集的位置进行比较，当两者的差值大于给定的阈值时，该第一关节进入即将运动状态，其他关节同理，各关节当前位置由编码器测量，给定的阈值可以根据实际需要进行限定，例如1000000脉冲当量的伺服电机，可以设定阈值为100～200个脉冲，也就是0.036°～0.072°。具体的，在拖动工业机器人之前，使工业机器人各关节伺服电机的控制模式处于关节力矩模式，以在关节力矩模式下，伺服电机在给定的力矩下动作，例如拖动示教对象为六关节机器人，则切换六个关节的伺服电机工作模式为关节力矩模式，在此模式下，伺服电机可以输出给定的力矩。

进一步的，根据采集的位置、速度和加速度通过逆动力学模型计算出当前位姿下各连杆的力矩，具体为：

其中：τ为力矩，g(q)分别为关节端的惯性力、科氏力、重力，为关节摩擦力，q为关节位置，为关节速度，为关节加速度。

步骤s3中，辅助冲击力矩采用如下公式计算：

τ＝τ0+kpε

其中：τ为辅助冲击力矩，τ0为辅助力矩的基准值，kp为可调节参数，ε为当前采集周期与上一采集周期的关节位置差(单位：度)，其中，τ0和kp可根据实际需要确定，以hsjr605第一关节为例，要实现较好的拖动效果，参数取值τ0＝2.0nm，kp＝1.2。

步骤s3中，辅助冲击力矩施加给对应的伺服电机以作为辅助力矩，即将辅助冲击力矩作为指令力矩下发给对应的伺服电机，使得伺服电机在指令力矩和辅助力矩的共同作用下动作，使伺服电机处于接近零力的状态(接近零力状态是指伺服电机在力矩下克服掉了机器人连杆的重力和动摩擦力，使得操作者在拖动机器人时好像拖动一个几乎没有质量的连杆机构)，此时操作者用手直接拖动机器人时，只需克服连杆的惯性力和关节之间的静摩擦力，保证拖动的连续性，不会出现卡顿现象。

步骤s3中，各关节当前的速度由编码器采集并计算得到，这些参数是伺服电机的状态参数，可直接获取，关节速度差给定的阈值可以根据实际需要进行限定，例如脉冲当量为1000000的伺服电机，伺服控制周期是4ms，设定速度阈值为150000～200000脉冲/s。

步骤s4中，当步骤s3中的关节速度差大于给定的阈值时进入运动状态，此时停止给各关节伺服电机施加辅助冲击力矩，使得各伺服电机仅在指令力矩的作用下动作，该指令力矩即为步骤s1中实时计算的指令力矩(步骤s1在整个拖动示教过程中一直在进行)，即采集各伺服电机的当前位置、速度和加速度，并根据各伺服电机的当前位置、速度和加速度计算出当前位姿下各连杆的力矩，并将各力矩作为指令力矩发送给各连杆对应的伺服电机。

进一步的，还包括如下步骤：s5机器人进入正常的拖动示教状态后，实时采集各关节的当前速度，并与上一个采样周期的速度进行比较，当两个采集周期的速度差小于给定的阈值时进入即将停止状态，即机器人一直在拖动，伺服电机一直在各自的指令力矩作用下动作，直至两个采样周期的速度差小于给定的阈值时进入步骤s6。其中，给定的阈值可以根据实际需要进行限定，例如脉冲当量为1000000的伺服电机，伺服控制周期是4ms，可以设定速度阈值为150000～200000脉冲/s，采样周期具体为多个伺服周期。

更进一步的，还包括如下步骤：s6在即将停止状态给各关节伺服电机施加反向冲击力矩，实时采集机器人各关节的当前位置，并与上一采样周期的位置进行比较，当两个采集周期的位置差小于给定阈值时进入停止状态，即机器人一直在拖动，伺服电机一直在各自的指令力矩和反向冲击力矩作用下动作，直至两个采样周期的位置差小于给定的阈值时机器人进入停止状态。其中，给定的阈值可以根据实际需要进行限定，例如1000000脉冲当量的伺服电机，可以设定阈值为100～200个脉冲，即0.036°～0.072°，采样周期具体为多个伺服周期。

总体而言，本发明将拖动示教启动过程分为四个状态：停止状态、即将运动状态、运动状态和即将停止状态。在即将运动状态通过施加辅助冲击力，以使关节处于激活状态，即将辅助冲击力矩补偿至各伺服电机，使伺服电机在额外的冲击力及自身需要的力矩作用下运动，当运动速度达到预先设定的阈值时，进入运动状态；在运动状态时，关闭冲击力，关节进入正常的拖动示教状态，当拖动示教的速度小于预先设定的阈值时，进入即将停止状态，此时给关节电机一个反向制动力，使得电机迅速停止下来，完成一次完整的拖动示教过程。

具体的，四个状态转换条件如下：

起始状态是停止状态：控制器通过隔一定伺服周期采样的方法实时采集当前关节的位置并与上一个采样周期的位置进行比较，直到两个采集周期的位置差大于给定阈值时进入即将运动状态；

即将运动状态：即将运动是关节电机处于将要运动还没有运动时的状态，此时进行拖动示教主要克服的是静摩擦力和重力，其中，重力通过逆动力学模型进行补偿，而静摩擦由于传动间隙和减速器的非线性很难通过建模的方法进行补偿，本发明通过施加辅助冲击力矩，以将辅助冲击力矩补偿至各伺服电机中，通过指令力矩和辅助力矩共同作用克服机器人连杆的重力和静摩擦力，使各关节处于激活状态，实时采集当前关节的速度并与上一个采样周期的速度进行比较，直到两个采集周期的速度差大于给定阈值时进入运动状态；

运动状态：运动状态中关闭辅助冲击力，机器人仅在指令力矩下动作，以进入正常的拖动示教状态，实时采集当前关节的速度并与上一个采样周期的速度进行比较，直到两个采集周期的速度差小于给定阈值时进入即将停止状态；

即将停止状态：在即将停止状态给电机反向的冲击力矩使得关节电机迅速停止，实时采集当前关节的位置并与上一个采样周期的位置进行比较，直到两个采集周期的位置差小于给定阈值时进入停止状态，反向冲击力矩的实施方法与辅助冲击力矩的实施方法类似，只需将反向冲击力矩的方向取反即可。

本发明能够使得拖动示教启动和停止更加的流畅，特别是启动过程中无明显的卡顿现象，改善拖动示教的体验。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。