協(xié)作機器人-感知、交互、操作與控制技術 課件 3-力觸覺感知

協(xié)作機器人力觸覺感知目錄CONtants機器人外力感知技術研究現狀010203基于關節(jié)扭矩傳感器的外力估計方法機器人多點外力感知方法04機器人觸覺感知方法機器人外力感知技術研究現狀腕部力傳感器方案電子皮膚方案電機電流信號+雙編碼器方案僅感知末端外力成本過高需輸出端編碼器，誤差影響因素多關節(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協(xié)作中的安全性需求；在機器人關節(jié)中附加扭矩傳感器是協(xié)作機器人的一個發(fā)展趨勢；基于關節(jié)扭矩傳感器的機器人力感知精度還有待提升?；陉P節(jié)扭矩傳感器的外力估計方法優(yōu)勢：能夠測量機械臂任意位置上的接觸力能夠將電機側與連桿側的動力學方程分離，從而大大減少誤差因素更加適用于柔性關節(jié)機械臂難點：仍然需要關節(jié)角加速度信號連桿側的摩擦仍然會對測量精度造成影響1）廣義動量觀測器的使用消除了對角加速度信號的依賴觀測器方程：無需加速度信號通常未知2）關節(jié)扭矩傳感器的使用使得連桿側與電機側動力學方程相分離僅使用連桿側動力學參數即可實現外力估計，減少了影響力估計精度的因素；對于柔性關節(jié)，電機位置與連桿位置之間存在相位差，使用關節(jié)扭矩傳感器時僅需知道連桿位置，避免了相位差對估計精度的影響。使用關節(jié)扭矩傳感器時的觀測器方程：2.1.1基于關節(jié)扭矩傳感器的廣義動量觀測器基于關節(jié)扭矩傳感器的外力估計方法柔性關節(jié)機械臂連桿側動力學方程：

由于，假設外力為零時，式（1）可表達成如下所示：(1)(2)對于單自由度機械臂而言，上式可以改寫為：(3)選擇如下參數時，式（3）傳遞函數的伯德圖如右所示：MCDKFq3.7kg?m^20N?m?s/rad258N?m?s/rad2865N?m/rad2N?m?s/rad柔性關節(jié)機械臂簡圖

改進的基于廣義動量法的外力觀測方法摩擦項建模補償外力觀測器工作流程摩擦項神經網絡擬合神經網絡摩擦項擬合消除了對摩擦模型參數的需要利用前向神經網絡對摩擦項進行精確擬合；神經網絡通常用于局部擬合，工作條件改變后須重新進行訓練。針對摩擦力特性，探索神經網絡全局擬合方法在摩擦建模中的應用。摩擦力的特性分析當關節(jié)角速度接近零時，摩擦力主要表現為靜摩擦;當關節(jié)速度相對較小時，線性摩擦和非線性摩擦都很顯著，同時存在遲滯行為;當關節(jié)速度較大時，摩擦的非線性很弱，主要表現為線性；在不同運動方向上存在不對稱現象。

充分激勵出摩擦力的各項特性全局建模對激勵軌跡的要求如下所示:機器人多點外力感知方法機器人多點外力感知方法機器人-環(huán)境多點交互簡圖類似于牛頓-歐拉法，使用反向法（Backwardmethod）逐步求解每個連桿上作用的接觸力。上式可以拆分成兩個方程，然后，使用反向法和連桿側廣義動量觀測法進行機械臂多點接觸力估計：1）將關節(jié)2扭矩傳感器信號

代入到連桿側廣義動量觀測器中，求得接觸點2處的接觸力；2）將關節(jié)1扭矩傳感器信號減去由接觸力引起關節(jié)扭矩信號，得到關節(jié)1殘余扭矩傳感器信號；3）將關節(jié)1殘余扭矩傳感器信號

代入到連桿側廣義動量觀測器中，得到接觸點1處的接觸力；實驗裝置dSPACE控制系統(tǒng)兩自由度機械臂

D-H方法機器人運動學建?？芍貥嬯P節(jié)單元1.伺服執(zhí)行單元2.傳動軸3.外殼4.編碼器5.外殼

6.軸承7.輸出法蘭8.花鍵軸9.扭矩傳感器實驗裝置dSPACE控制系統(tǒng)+兩自由度機械臂實驗內容：無接觸力實驗：機械臂執(zhí)行正余弦軌跡往復運動，使用提出算法估計接觸力有接觸力實驗：機械臂執(zhí)行正余弦軌跡往復運動，使用提出算法估計接觸力，并與測力計所得結果進行比較。機器人觸覺感知

在人機協(xié)作過程中，機器人可以憑借不同的傳感技術利用語音、視覺等感官方式理解操作者的意圖。但是由于實際作業(yè)場景下的噪聲影響以及視覺遮擋問題，這些交流的信息通道時常被堵塞。并且，使機器人能夠根據人類的期望“感覺”、“理解”和響應觸覺信息，將使人類和機器人之間的互動更加直觀。

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

在接觸式人機協(xié)作中，操作者