一种工业机器人末端负载辨识方法和系统
1.本发明属于机器人领域，具体涉及一种工业机器人末端负载辨识方法系统。
背景技术：
2.现在越来越多工业机器人应用在码垛，搬运等工作环境中，由于机器人搬运的物体质量是多变的，如果控制系统不及时对负载产生的力矩进行补偿的话容易导致工业机器人的精度以及性能变差，因此，快速且准确识别负载动力学参数是实现机器人高精度控制的关键之一，现有技术中一般都是在机器人的末端安装多维力传感器感知末端受力情况，但是这种方法需要额外添加力传感器，这直接增加工厂的用成本。
3.因此，设计出一种无需额外添加传感器来计算机器人末端负载的机器人技术是很有必要的。
技术实现要素：
4.本发明克服现有技术的不足，提供了一种工业机器人末端负载辨识方法和系统。本发明的目的通过以下的技术方案实现：
5.一方面，提供了一种工业机器人末端负载辨识方法，包括：
6.s1：采用工业机器人示教器规划机器人的运动路径；
7.s2：根据运动路径分别运行空载及带负载状态下的机器人；
8.s3：采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；
9.s4：截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；
10.s5：建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；
11.s6：建立关于电流表示的末端负载动力学方程；
12.s7：将滤波处理后的数据代入上述模型和方程，计算机器人末端负载。
13.优选的，所述s1中，在机器人示教器中添加机器人每个关节的路点，最大速度，最大加速度，其中关节到达设定路点后停留2s继续运动直至到达运动路径的终点。
14.优选的，所述s2中，负载质量不超过机器人的承受范围。
15.优选的，所述s3中，第1初始数据包括空载状态下机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流和控制电流；第2初始数据包括带负载状态下机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流和控制电流。
16.优选的，所述s4中，第3初始数据包括机器人空载时的关节实际位置、实际速度、实际加速度和实际电流；第4初始数据包括机器人带负载时的关节实际位置、实际速度、实际加速度和实际电流。
17.优选的，所述s5中，通过拉格朗日法建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；
18.所述机器人本体动力学模型如下：
[0019][0020]
所述负载动力学模型如下：
[0021][0022]
其中m
_i
表示观测矩阵项，c
_i
表示科氏力和离心力项，g
_i
表示重力项，i∈{0，1}，i＝0表示机器人处于空载状态下，i＝1表示机器人处于带负载状态下，q表示关节位置，表示关节速度，表示关节加速度。
[0023]
优选的，所述s6中，末端负载动力学方程如下：
[0024]
τ
out
＝rki-τw[0025]
其中，τ
out
为关节输出力矩，r为齿轮箱减速比，k为电机常数，i为关节电机电流,τw为能量耗散引起的力矩损失。
[0026]
另一方面，本发明还提供了一种工业机器人末端负载辨识系统，包括依次连接的：
[0027]
路径规划单元，用于通过工业机器人示教器规划机器人的运动路径；
[0028]
机器人控制单元；用于控制机器人根据运动路径来进行工作；
[0029]
数据采集单元，用于采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；
[0030]
数据预处理单元，用于截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；
[0031]
动力学模型及关于电流的末端负载方程建立单元，用于建立工业机器人本体动力学模型、负载动力学模型和关于电流表示的末端负载动力学方程；
[0032]
负载计算单元，用于计算机器人末端负载。
[0033]
本发明不仅实现了工业机器人末端负载质量的识别，而且极大提高了计算速度与计算准确率。且可以快速且准确地计算出机器人末端添加负载的质量，无需在末端增加额外的传感器，降低了设计成本，能够满足工业生产上的要求。
附图说明
[0034]
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0035]
图1是本发明一种工业机器人末端负载辨识方法的流程图；
[0036]
图2是本发明一种工业机器人末端负载辨识系统的结构图；
[0037]
图3是本发明一个较好实施例的计算结果示意图。
具体实施方式
[0038]
以下结合具体实施例对一种工业机器人末端负载辨识方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
[0039]
在一实施例中，一方面，如图1所示，提供了一种工业机器人末端负载辨识方法，包括：
[0040]
s1：采用工业机器人示教器规划机器人的运动路径；
[0041]
通过工业机器人示教器规划机器人的运动路径，在机器人示教器中添加机器人每
个关节的路点，最大速度，最大加速度，其中关节到达设定路点后停留2s继续运动直至到达运动路径的终点。
[0042]
s2：根据运动路径分别运行空载及带负载状态下的机器人；
[0043]
根据设计好的路径启动机器人，其中带负载状态下的负载质量不超过机器人的承受范围。
[0044]
s3：采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；
[0045]
在空载状态下，采集机器人各关节的第1初始数据，第1初始数据包含空载状态下机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流，控制电流等参数。
[0046]
接着在机械臂末端连杆装上负载，负载为3kg，继续按照设计好的路径启动机器人，采集机器人各关节的第2初始数据，所述第2初始数据包括负载3kg时机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流，控制电流等参数。
[0047]
s4：截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；
[0048]
所述第3初始数据包括：空载时机器人的关节实际位置，实际速度，实际加速度，实际电流。
[0049]
所述第4初始数据包括：带负载3kg时机器人的关节实际位置，实际速度，实际加速度，实际电流。
[0050]
并通过移动平均滤波器(smooth)滤波，滤波可以降低数据中的噪声干扰，使数据平滑化。
[0051]
s5：建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；
[0052]
通过拉格朗日法建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；
[0053]
所述机器人本体动力学模型如下：
[0054][0055]
负载动力学模型中将负载质量设为未知数ld，将ld添加在末端连杆质量上；
[0056]
其中机器人本体动力学模型包含重力项(g
_0
)，科氏力和离心力项(c
_0
)，观测矩阵项(m
_0
)，齐次变换矩阵项(t
_0
)、雅克比矩阵项(jacobi
_0
)项以及机器人的各项自身参数。
[0057]
所述负载动力学模型如下：
[0058][0059]
其中机器人负载动力学模型包含重力项(c
_1
)，科氏力和离心力项(c
_1
)，观测矩阵项(m
_1
)，齐次变换矩阵项(t
_1
)、雅克比矩阵项(jacobi
_1
)项以及机器人的各项自身参数。
[0060]
其中q表示关节位置，表示关节速度，表示关节加速度。
[0061]
s6：建立关于电流表示的末端负载动力学方程；
[0062]
对于大多数工业机器人而言，关节处没有配备力传感器，机器人的控制与参数辨识依赖电极电流的测试值。
[0063]
末端负载动力学方程如下：
[0064]
τ
out
＝rki-τw[0065]
其中，τ
out
为关节输出力矩，r为齿轮箱减速比，k为电机常数，i为关节电机电流,τw为能量耗散引起的力矩损失。
[0066]
s7：将滤波处理后的数据代入上述模型和方程，计算机器人末端负载。
[0067]
将滤波处理后的第3初始数据中的各关节实际位置，实际速度，实际加速度带入到机器人本体动力学模型，计算出各关节空载力矩τ0。
[0068]
将滤波处理后的第3数据中的各关节实际电流带入关于电流表示的机器人末端负载方程中可以计算得到各关节空载力矩τ
0_out
。
[0069]
将滤波处理后的第4初始数据中的各关节实际位置，实际速度，实际加速度带入到机器人本体动力学模型，计算出各关节带负载力矩τ1，τ1是关于未知数ld的符号解。
[0070]
将滤波处理后的第4数据中的各关节实际电流带入关于电流表示的机器人末端负载方程中可以计算得到各关节带负载力矩τ
1_out
。
[0071]
将模型计算出的带负载力矩与空载力矩作差即可得到力矩差tq，即：
[0072]
tq＝τ
1-τ0[0073]
将关于电流表示的末端负载动力学方程计算得到的两力矩相减得到力矩差t
，即：
[0074]
t
＝τ
1_out-τ
0_out
[0075]
由于tq是关于未知数ld的符号解，t
是一个定值，两值相等，将t
q-t
即可得到末端负载质量的大小。
[0076]
另一方面，如图2所示，本发明还提供了一种工业机器人末端负载辨识系统，包括依次连接的：
[0077]
路径规划单元，用于通过工业机器人示教器规划机器人的运动路径；
[0078]
机器人控制单元；用于控制机器人根据运动路径来进行工作；
[0079]
数据采集单元，用于采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；
[0080]
数据预处理单元，用于截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；
[0081]
动力学模型及关于电流的末端负载方程建立单元，用于建立工业机器人本体动力学模型、负载动力学模型和关于电流表示的末端负载动力学方程；
[0082]
负载计算单元，用于计算机器人末端负载。
[0083]
最终负载3kg的负载计算结果如图3所示。
[0084]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
技术特征：
1.一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，包括：s1：采用工业机器人示教器规划机器人的运动路径；s2：根据运动路径分别运行空载及带负载状态下的机器人；s3：采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；s4：截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；s5：建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；s6：建立关于电流表示的末端负载动力学方程；s7：将滤波处理后的数据代入上述模型和方程，计算机器人末端负载。2.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s1中，在机器人示教器中添加机器人每个关节的路点，最大速度，最大加速度，其中关节到达设定路点后停留2s继续运动直至到达运动路径的终点。3.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s2中，负载质量不超过机器人的承受范围。4.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s3中，第1初始数据包括空载状态下机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流和控制电流；第2初始数据包括带负载状态下机器人各关节的目标位置、目标速度、目标加速度、目标电流、实际位置、实际速度、实际加速度、实际电流和控制电流。5.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s4中，第3初始数据包括机器人空载时的关节实际位置、实际速度、实际加速度和实际电流；第4初始数据包括机器人带负载时的关节实际位置、实际速度、实际加速度和实际电流。6.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s5中，通过拉格朗日法建立工业机器人本体动力学模型和负载动力学模型；所述机器人本体动力学模型如下：所述负载动力学模型如下：其中m
_i
表示观测矩阵项，c
_i
表示科氏力和离心力项，g
_i
表示重力项，i∈{0，1}，i＝0表示机器人处于空载状态下，i＝1表示机器人处于带负载状态下，q表示关节位置，表示关节速度，表示关节加速度。7.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端负载辨识方法，其特征在于，所述s6中，末端负载动力学方程如下：τ
out
＝rki-τ
w
其中，τ
out
为关节输出力矩，r为齿轮箱减速比，k为电机常数，i为关节电机电流,τ
w
为能量耗散引起的力矩损失。8.一种工业机器人末端负载辨识系统，其特征在于，包括依次连接的：路径规划单元，用于通过工业机器人示教器规划机器人的运动路径；机器人控制单元；用于控制机器人根据运动路径来进行工作；
数据采集单元，用于采集空载和带负载状态下的机器人的第1初始数据和第2初始数据；数据预处理单元，用于截取所需第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；动力学模型及关于电流的末端负载方程建立单元，用于建立工业机器人本体动力学模型、负载动力学模型和关于电流表示的末端负载动力学方程；负载计算单元，用于计算机器人末端负载。
技术总结
本发明公开了一种工业机器人末端负载辨识方法和系统，其方法包括设置机器人运动路径；按照设计路径分别运行空载和带负载状态下的机器人；采集空载和带负载状态下的第1初始数据和第2初始数据；根据第1和第2初始数据截取所需的第3初始数据和第4初始数据并进行滤波处理；分别建立工业机器人本体动力学模型和带负载动力学模型；建立关于电流表示的末端负载动力学方程；将滤波后数据分别带入模型及方程进行计算末端负载质量的大小，利用该方法可以快速且准确的求解负载质量，可以广泛应用于工业机器人上。工业机器人上。工业机器人上。
