一种提高机器人关节转矩检测精度的方法及多关节机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种提高机器人关节转矩检测精度的方法及多关节机器人。

背景技术

工业机器人是在工业环境中广泛运用的一类机器人，工业机器人通常可分为传统的工业机器人和协作机器人，协作机器人是一种新型的工业机器人，其体积小、易安装，能够被用于商业、服务业、工业等多种场景下。协作机器人多元化的应用场景使得其对安全性、精度提出了更高的要求。

在一些使用场景下，例如焊接，需要工业机器人的末端精度足够好，方能够保证工作的效果。现有技术中，一些机器人生产商已经开始尝试在工业机器人的关节里安装力矩传感器，以提升机器人末端精度。目前，大部分机器人厂商都有了自身的机器人本体设计，对于机器人的优化主要在于对硬件、软件的优化，机器人自身结构相对稳定，要给现有的机器人结构增加力矩传感器，需要对机器人的本体设计做出较大改变。

同时，当工业机器人的各关节安装力矩传感器时，关节自身可能受外力影响，力矩传感器存在耦合，影响力矩传感器的检测精度，进而影响工业机器人的力控精度，使得工业机器人末端精度不足以满足精度要求高的场景。为了解决关节力矩传感器耦合的问题，现有技术中通过改变机械结构的方式予以改善，这种方式设计难度较大、实现复杂、还会增加关节的重量和体积，同时增加的机械结构增加了机器人的生成制造成本，不利于广泛推广使用。

因此，有必要设计一种易于实现、精度较好的提高机器人关节转矩检测精度的方法及多关节机器人。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种易于实现、精度较好的提高机器人关节转矩检测精度的方法及多关节机器人。

本发明可采用如下技术方案：一种提高机器人关节转矩检测精度的方法，所述机器人包括多个关节，各关节包括力矩传感器，所述方法包括：预设信息步骤：预设机器人各关节力矩传感器的标定信息以及建立机器人力学模型，所述标定信息表示关节受力对力矩传感器的关节转矩信息的耦合影响；获取步骤：获取各关节的关节转矩信息；计算步骤：根据所述机器人力学模型和关节转矩信息，推算机器人各关节的关节受力信息；去耦步骤：根据所述标定信息和所述关节受力信息，对力矩传感器的关节转矩信息进行去耦处理，输出去耦后的关节转矩信息。

进一步的，所述获取步骤包括：通过力矩传感器获取各关节的关节转矩信息；和/或，检测各关节的电流，据此获取各关节的关节转矩信息。

进一步的，所述方法包括：重复所述计算步骤和去耦步骤，迭代处理所述关节转矩信息，输出最终的关节转矩信息。

进一步的，所述方法包括：当所述迭代次数大于或等于预设次数时，输出最终的关节转矩信息。

进一步的，所述方法包括：当上一迭代周期输出的关节转矩信息和当前迭代周期输出的关节转矩信息差值小于或等于预设差值时，输出最终的关节转矩信息。

进一步的，所述力矩传感器包括输入连接法兰盘和输出连接法兰盘，所述力矩传感器用作所述机器人关节的输出法兰。

进一步的，所述力矩传感器为转矩传感器。

本发明还可采用如下技术方案：一种多关节机器人，包括若干关节和连杆，所述关节包括电机、减速器、力矩传感器，所述力矩传感器包括输入法兰连接盘和输出法兰连接盘，所述多关节机器人包括：预设信息单元，用于预设机器人各关节的标定信息和建立机器人的力学模型，所述标定信息表示关节受力对力矩传感器的关节转矩信息的耦合影响；获取单元，用于获取各关节的关节转矩信息；计算单元，电连接于所述预设信息单元和获取单元，用于根据所述力学模型和关节转矩信息获取各关节的关节受力信息；去耦单元，电连接于力矩传感器和计算单元，用于根据所述标定信息和所述关节受力信息，对力矩传感器的关节转矩信息进行去耦处理，输出去耦后的关节转矩信息。

进一步的，所述获取单元为力矩传感器，和/或，所述获取单元包括电流检测单元，根据所述电流检测单元获取各关节的关节转矩信息。

进一步的，所述多关节机器人为六关节协作机器人。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：通过预设标定信息和建立机器人力学模型，根据机器人各关节的力矩传感器的检测，去掉关节外力耦合影响，进而提升关节转矩信息的精度。进一步的，通过迭代处理关节转矩信息，从而进一步提升关节转矩信息的精度。此种方式去除关节外力耦合影响，无需改变机器人自身结构设计，易于实现、成本较低。

附图说明

以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本发明一个实施例的提高机器人关节转矩检测精度的方法示意图

图2是本发明另一实施例的提高机器人关节转矩检测精度的方法示意图

图3是本发明又一实施例的提高机器关节转矩检测精度的方法示意图

图4是本发明一个实施例的多关节机器人的模块图

图5是本发明一个实施例的多关节机器人的示意图

图6是本发明一个实施例的多关节机器人的关节示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明保护一种提高机器人关节转矩检测精度的方法，所述机器人包括多个关节，各关节包括力矩传感器，参图1，所述方法包括：S1预设信息步骤，预设机器人各关节力矩传感器的标定信息以及建立机器人力学模型，所述预定信息表示关节受力对力矩传感器检测的关节转矩信息的耦合影响；S2获取步骤，获取各关节的关节转矩信息；S3计算步骤，根据所述机器人力学模型和关节转矩信息，推算机器人各关节的关节受力信息；S4去耦步骤，根据所述标定信息和所述关节受力信息，对力矩传感器的关节转矩信息进行去耦处理，输出去耦后的关节转矩信息。具体的，关节的力矩传感器的标定信息表示机器人各个方向的力、力矩的耦合影响，具体的，所述标定信息表示各个方向的力对关节的力矩传感器输出的关节转矩信息的精度的影响，外力大小对于不同的机器人的影响不同，通过预设标定数据，确认各向力、力矩对力矩传感器检测的关节转矩信息的耦合影响。通过建立力学模型，根据机器人的力学模型和关节转矩信息获知各关节的关节受力信息，其中，本方案中可采用各种建立力学模型的方式，只要能实现建立机器人力学模型的目的即可，其中，本方案中对关节转矩信息的获取也可采用多种方式。通过各关节的关节受力信息，确认各关节的外力大小，对比标定信息确定各关节的外力耦合的影响，对所述关节转矩信息进行去耦处理，去耦后的关节转矩信息精度得以提升。机器人的运动通过各关节的旋转运动实现，各关节配合旋转以达到各种期望的位姿，当机器人受到外力时，外力对机器人的运动的影响也主要体现于关节转矩信息，通过基于各关节的关节转矩信息和机器人力学模型，获知机器人受影响的主要外力作用，并去耦处理，进而提升关节力矩传感器的检测精度，从而提高了机器人的力控精度。

进一步的，所述S2获取步骤，用于获取各关节的关节转矩信息，在本发明的一个实施例中，所述S2获取步骤包括：通过力矩传感器获取各关节的关节转矩信息，即各关节包括力矩传感器，各关节的力矩传感器分别检测以获取各关节的关节转矩信息；和/或，所述S2获取步骤包括：检测各关节的电流，据此获取各关节的关节转矩信息，即根据各关节的电流，结合关节必要参数和本领域通用知识，可以计算出各关节的关节转矩信息。根据各关节的电流获取关节转矩信息的方式，可以避免力矩传感器在初始检测准确度低的情况下，根据力矩传感器检测的关节转矩信息计算关节受力可能不准，进而不能实现较好的对力矩传感器的关节转矩信息的去耦作用。同时，通过关节电流计算关节转矩信息，所计算的关节转矩信息精度不能达到较高水平，而借助其计算关节受力信息，从而对力矩传感器的关节转矩信息去耦，能够有效提升力矩传感器的关节转矩信息的精度，进而得到精度较好的关节转矩信息。

进一步的，所述方法包括：重复所述计算步骤和去耦步骤，迭代处理所述关节转矩信息，输出最终的关节转矩信息。其中，所述最终的关节转矩信息是机器人后续进行处理的基础，根据最终的关节转矩信息执行机器人的力控操作。即通过上述的方式得到去耦后的关节转矩信息后，重复所述计算步骤，根据去耦后的各关节的关节转矩信息和所述力学模型推算机器人各关节的关节受力信息，并进行去耦处理再次得到去耦后的关节转矩信息。也即，通过重复所述计算步骤，对所述关节转矩信息进行迭代处理，不断更新所述关节转矩信息，并输出最终的关节转矩信息，所述最终的关节转矩信息为最后一次重复所述计算步骤所输出的关节转矩信息。

在本发明的一个实施例中，所述方法包括：当所述迭代次数大于或等于预设次数时，输出最终的关节转矩信息。参图2，设定各关节的关节转矩信息为T

在本发明的另一实施例中，所述方法包括：当上一迭代周期输出的关节转矩信息和当前迭代周期输出的关节转矩信息差值小于预设差值时，输出最终的关节转矩信息。通过多次迭代处理，使得关节转矩信息的精度逐渐提升，当迭代次数大于或等于预设次数时、或者上一迭代周期输出的关节转矩信息和当前迭代周期输出的关节转矩信息差值小于预设差值时，说明关节转矩信息的精度已经相对较高，此时可以获得较高精度的关节转矩信息，进而使得机器人力控精度较好。参图3，设定各关节的转矩信息为T

在本发明的一个实施例中，机器人关节的力矩传感器包括输入连接法兰盘和输出连接法兰盘，所述关节力矩传感器用作所述机器人关节的输出法兰。即所述力矩传感器既用于检测关节的输出转矩，又用于关节的输出法兰，使得在不改变机器人关节结构设计的基础上，实现检测关节转矩信息的功能，同时本发明所提供的方法使得关节转矩信息的精度较高，机器人力控精度较好。

在本发明的一个实施例中，上述力矩传感器为转矩传感器，所述转矩传感器用于输出机器人的关节转矩信息，所述标定信息用于表示力和力矩对转矩的耦合影响。在其他的实施例中，所述力矩传感器还可能是三维力矩传感器等，通过所述力矩传感器获知关节转矩信息，并通过上述方法进行去耦处理，能够有效减小甚至消除外力对关节转矩信息检测的影响，进而提升机器人的力控精度。

以上优选实施例的有益效果在于：该方法通过预设关节力矩传感器的标定信息，获知外力对关节转矩信息的影响并进行去耦处理，使得关节转矩信息检测精度较高，机器人的力控精度较好。

本发明还用于提供一种多关节机器人，参图4-5，所述多关节机器人100包括若干关节和连杆，参图6，示出了本发明一个实施例的关节20的示意图，所述关节包括电机、减速器、力矩传感器，所述力矩传感器包括输入法兰连接盘和输出法兰连接盘，所述多关节机器人100包括：预设信息单元30，用于预设机器人各关节的标定信息和建立机器人的力学模型，所述标定信息表示关节受力对力矩传感器的关节转矩信息的耦合影响；获取单元40，用于获取各关节的关节转矩信息；计算单元50，电连接于所述预设信息单元30和获取单元40，用于根据所述力学模型和关节转矩信息获取各关节的关节受力信息；去耦单元60，电连接于所述力矩传感器22和计算单元50，用于根据所述标定信息和所述关节受力信息，对力矩传感器的关节转矩信息进行去耦处理，输出去耦后的关节转矩信息。进一步的，所述电机连接于所述减速器的输入端，所述输入法兰连接盘连接于所述减速器的输出端，所述输出法兰连接盘连接于所述关节20的外壳21。所述力矩传感器22连接于所述减速器的输出端和关节的外壳21，所述力矩传感器既用于检测关节转矩信息，又用作关节20的输出法兰，相比于单独安装关节的力矩传感器和输出法兰的方式，关节结构紧凑。机器人100的计算单元50确定关节20受力信息，去耦单元对力矩传感器22的关节转矩信息输出去耦合后的关节转矩信息，从而提升了关节转矩信息的精度。

多关节机器人100包括获取单元40，以获取各关节20的关节转矩信息。在本发明的一个实施例中，所述获取单元为力矩传感器，通过各关节的力矩传感器获取各关节的关节转矩信息，和/或，所述获取单元包括电流检测单元，根据所述电流检测单元获取各关节的关节转矩信息，具体的，电流检测单元获取各关节的关节转矩信息，关节必要参数和本领域通用知识，进而获取各关节的关节转矩信息。采用电流检测单元的方式获取关节转矩信息时，计算单元基于该电流检测单元获取的关节转矩信息计算关节受力信息，去耦单元进而基于该关节受力信息对力矩传感器的关节转矩信息去耦得到高精度的关节转矩信息。

在本发明的一个实施例中，所述多关节机器人100的各关节20包括力矩传感器，所述力矩传感器22包括支撑梁和测量梁，所述测量梁粘贴应变片，所述支撑梁和测量梁连接于所述输入法兰连接盘和输出法兰连接盘之间，所述支撑梁用于增强所述力矩传感器的刚性。所述力矩传感器适于检测关节转矩信息以及保证刚性以使得其适于作为关节的输出法兰使用。本发明所提供的多关节机器人的结构紧凑、关节转矩信息精度好。多关节机器人的运动由各关节的转动而完成，检测关节转矩信息并对其去耦处理可以提升机器人的力控精度，优选的，所述力矩传感器为转矩传感器。

在一个具体的实施例中，所述多关节机器人100为六关节协作机器人。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。