協(xié)作機(jī)器人-感知、交互、操作與控制技術(shù) 課件 3-力觸覺感知

協(xié)作機(jī)器人力觸覺感知目錄CONtants機(jī)器人外力感知技術(shù)研究現(xiàn)狀010203基于關(guān)節(jié)扭矩傳感器的外力估計(jì)方法機(jī)器人多點(diǎn)外力感知方法04機(jī)器人觸覺感知方法機(jī)器人外力感知技術(shù)研究現(xiàn)狀腕部力傳感器方案電子皮膚方案電機(jī)電流信號(hào)+雙編碼器方案僅感知末端外力成本過(guò)高需輸出端編碼器，誤差影響因素多關(guān)節(jié)扭矩傳感器方案精度有待提高僅靠末端多維力傳感器不能滿足人機(jī)協(xié)作中的安全性需求；在機(jī)器人關(guān)節(jié)中附加扭矩傳感器是協(xié)作機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)；基于關(guān)節(jié)扭矩傳感器的機(jī)器人力感知精度還有待提升?；陉P(guān)節(jié)扭矩傳感器的外力估計(jì)方法優(yōu)勢(shì)：能夠測(cè)量機(jī)械臂任意位置上的接觸力能夠?qū)㈦姍C(jī)側(cè)與連桿側(cè)的動(dòng)力學(xué)方程分離，從而大大減少誤差因素更加適用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂難點(diǎn)：仍然需要關(guān)節(jié)角加速度信號(hào)連桿側(cè)的摩擦仍然會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響1）廣義動(dòng)量觀測(cè)器的使用消除了對(duì)角加速度信號(hào)的依賴觀測(cè)器方程：無(wú)需加速度信號(hào)通常未知2）關(guān)節(jié)扭矩傳感器的使用使得連桿側(cè)與電機(jī)側(cè)動(dòng)力學(xué)方程相分離僅使用連桿側(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)外力估計(jì)，減少了影響力估計(jì)精度的因素；對(duì)于柔性關(guān)節(jié)，電機(jī)位置與連桿位置之間存在相位差，使用關(guān)節(jié)扭矩傳感器時(shí)僅需知道連桿位置，避免了相位差對(duì)估計(jì)精度的影響。使用關(guān)節(jié)扭矩傳感器時(shí)的觀測(cè)器方程：2.1.1基于關(guān)節(jié)扭矩傳感器的廣義動(dòng)量觀測(cè)器基于關(guān)節(jié)扭矩傳感器的外力估計(jì)方法柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂連桿側(cè)動(dòng)力學(xué)方程：

由于，假設(shè)外力為零時(shí)，式（1）可表達(dá)成如下所示：(1)(2)對(duì)于單自由度機(jī)械臂而言，上式可以改寫為：(3)選擇如下參數(shù)時(shí)，式（3）傳遞函數(shù)的伯德圖如右所示：MCDKFq3.7kg?m^20N?m?s/rad258N?m?s/rad2865N?m/rad2N?m?s/rad柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂簡(jiǎn)圖

改進(jìn)的基于廣義動(dòng)量法的外力觀測(cè)方法摩擦項(xiàng)建模補(bǔ)償外力觀測(cè)器工作流程摩擦項(xiàng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)摩擦項(xiàng)擬合消除了對(duì)摩擦模型參數(shù)的需要利用前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摩擦項(xiàng)進(jìn)行精確擬合；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常用于局部擬合，工作條件改變后須重新進(jìn)行訓(xùn)練。針對(duì)摩擦力特性，探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局?jǐn)M合方法在摩擦建模中的應(yīng)用。摩擦力的特性分析當(dāng)關(guān)節(jié)角速度接近零時(shí)，摩擦力主要表現(xiàn)為靜摩擦;當(dāng)關(guān)節(jié)速度相對(duì)較小時(shí)，線性摩擦和非線性摩擦都很顯著，同時(shí)存在遲滯行為;當(dāng)關(guān)節(jié)速度較大時(shí)，摩擦的非線性很弱，主要表現(xiàn)為線性；在不同運(yùn)動(dòng)方向上存在不對(duì)稱現(xiàn)象。

充分激勵(lì)出摩擦力的各項(xiàng)特性全局建模對(duì)激勵(lì)軌跡的要求如下所示:機(jī)器人多點(diǎn)外力感知方法機(jī)器人多點(diǎn)外力感知方法機(jī)器人-環(huán)境多點(diǎn)交互簡(jiǎn)圖類似于牛頓-歐拉法，使用反向法（Backwardmethod）逐步求解每個(gè)連桿上作用的接觸力。上式可以拆分成兩個(gè)方程，然后，使用反向法和連桿側(cè)廣義動(dòng)量觀測(cè)法進(jìn)行機(jī)械臂多點(diǎn)接觸力估計(jì)：1）將關(guān)節(jié)2扭矩傳感器信號(hào)

代入到連桿側(cè)廣義動(dòng)量觀測(cè)器中，求得接觸點(diǎn)2處的接觸力；2）將關(guān)節(jié)1扭矩傳感器信號(hào)減去由接觸力引起關(guān)節(jié)扭矩信號(hào)，得到關(guān)節(jié)1殘余扭矩傳感器信號(hào)；3）將關(guān)節(jié)1殘余扭矩傳感器信號(hào)

代入到連桿側(cè)廣義動(dòng)量觀測(cè)器中，得到接觸點(diǎn)1處的接觸力；實(shí)驗(yàn)裝置dSPACE控制系統(tǒng)兩自由度機(jī)械臂

D-H方法機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建?？芍貥?gòu)關(guān)節(jié)單元1.伺服執(zhí)行單元2.傳動(dòng)軸3.外殼4.編碼器5.外殼

6.軸承7.輸出法蘭8.花鍵軸9.扭矩傳感器實(shí)驗(yàn)裝置dSPACE控制系統(tǒng)+兩自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：無(wú)接觸力實(shí)驗(yàn)：機(jī)械臂執(zhí)行正余弦軌跡往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用提出算法估計(jì)接觸力有接觸力實(shí)驗(yàn)：機(jī)械臂執(zhí)行正余弦軌跡往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用提出算法估計(jì)接觸力，并與測(cè)力計(jì)所得結(jié)果進(jìn)行比較。機(jī)器人觸覺感知

在人機(jī)協(xié)作過(guò)程中，機(jī)器人可以憑借不同的傳感技術(shù)利用語(yǔ)音、視覺等感官方式理解操作者的意圖。但是由于實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景下的噪聲影響以及視覺遮擋問(wèn)題，這些交流的信息通道時(shí)常被堵塞。并且，使機(jī)器人能夠根據(jù)人類的期望“感覺”、“理解”和響應(yīng)觸覺信息，將使人類和機(jī)器人之間的互動(dòng)更加直觀。

觸覺傳感需要一個(gè)復(fù)雜的感測(cè)系統(tǒng)，它能夠區(qū)分多種環(huán)境刺激如壓力、橫向應(yīng)變、剪切力、彈性、扭轉(zhuǎn)和振動(dòng)以及各種機(jī)械應(yīng)激等，其中的壓阻式、電容式和壓電式工作原理的傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中非常廣泛。近幾年，基于視覺原理的觸覺傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。

在接觸式人機(jī)協(xié)作中，操作者