【摘 要】
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协作机器人和操作人员共享工作空间,操作人员安全是人机协作领域首要考虑的问题和强制性约束,有效地对人机碰撞检测是保证操作人员安全的重要环节之一。协作机器人具有多自由度,碰撞可能发生于机器人的任意关节;碰撞时间或短暂或持久;碰撞力强度不同等因素构成了复杂的人机碰撞情况。本文以UR5六自由度协作机器人为研究参考,基于机器人动力学和广义动量,设计了一种构造外力矩观测器的碰撞检测算法。主要工作和成果有:基于
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协作机器人和操作人员共享工作空间,操作人员安全是人机协作领域首要考虑的问题和强制性约束,有效地对人机碰撞检测是保证操作人员安全的重要环节之一。协作机器人具有多自由度,碰撞可能发生于机器人的任意关节;碰撞时间或短暂或持久;碰撞力强度不同等因素构成了复杂的人机碰撞情况。本文以UR5六自由度协作机器人为研究参考,基于机器人动力学和广义动量,设计了一种构造外力矩观测器的碰撞检测算法。主要工作和成果有:基于DH约定建立连杆坐标系,建立了机器人的正运动学方程。在机器人运动学基础上,基于欧拉—拉格朗日法,建立了机器人动力学方程。通过在ADAMS建立虚拟样机得到关节力矩,与MATLAB计算得到的关节力矩相比较,验证了机器人动力学方程的正确性。提出了一种基于机器人动力学和广义动量的碰撞检测算法,在ADAMS虚拟样机中添加碰撞力模拟人机碰撞情况,将机器人的运动学信息输出作为碰撞检测算法的输入,结果显示碰撞时外力矩发生变化,该算法可有效检测到碰撞。通过雅克比矩阵的转置将作用在机器人上的碰撞力转换为各关节的外力矩计算值,计算值可指导调节观测器。基于ADAMS和MATLAB设计联合仿真,结果表明针对ISO/TS15066:2016（E）总结的多种复杂人机碰撞情况:1)不同关节,从关节5延伸至关节4;2)暂态碰撞0.1秒和准静态碰撞1秒;3)不同强度的碰撞力300N和150N,该碰撞检测算法均可有效进行碰撞检测,具有一定普适性。本文设计的算法可为解决人机碰撞过程中发生碰撞的关节不同,碰撞时间长短和碰撞力强度不同等复杂场景下碰撞检测问题提供参考。与传统方法相比,本文算法不借助外部传感器,可节约成本,具有一定实际应用意义。
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