一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法

本发明涉及机器人碰撞检测及控制，尤其涉及一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法。

背景技术：

1、随着工业自动化向智能化升级，人机共融作业场景日益普及，机器人与人类、环境的接触频率大幅增加，碰撞检测与安全交互成为保障作业安全的核心需求。在非结构化环境中，机器人需要快速识别碰撞风险并及时响应，以避免人员受伤和设备损坏，这一需求推动着碰撞检测技术不断迭代，而兼顾低成本与高可靠性的检测方案成为行业关注的焦点，相关技术的优化对工业生产、医疗服务等多个领域的安全高效运行具有重要意义。

2、现有碰撞检测技术主要分为两类实现路径。一类是基于外部传感器的方案，通过在机器人末端或关节处加装专门的感知设备，直接捕捉外力作用信号以实现碰撞识别；另一类是基于关节电流反馈的方案，利用关节电机电流与输出力矩的关联关系，将电流信号作为间接感知依据，通过监测电流变化判断是否发生碰撞。前者依赖额外的硬件设备构建感知体系，后者则利用机器人自身控制系统的反馈信号，无需新增大量外部装置，两种方案分别在不同应用场景中得到采用。

3、现有技术存在两个方面缺点：其一，响应滞后问题突出，基于电流反馈的方案多依赖电流绝对值与固定阈值的对比，而机械传动过程中的惯性、摩擦力以及控制系统的延迟，会导致电流信号在碰撞初期难以快速上升，使得碰撞发生后需要一定时间才能被检测到，无法实现早期预警。其二，误报率较高，机器人在加减速运动时，惯性力会引发电流的正常波动，而固定阈值无法区分这种正常波动与碰撞导致的电流变化，在复杂运动工况下容易触发不必要的警报，影响机器人作业的连续性和稳定性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法。

2、本发明所采用的技术方案是，一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法，包括以下步骤：s1，构建被控机器人关节空间动力学模型，确定关节角向量、质量矩阵、科氏力和离心力项、重力项及摩擦力项之间的关联关系，为关节力矩与电流的理论分析及动态阈值初步设定提供支撑；s2，通过机器人控制系统的伺服驱动器，以高采样率实时采集各关节电机的三相电流反馈信号；s3，对采集到的电流信号进行数值微分运算，实时获取每个关节的电流变化率；s4，通过机器人逆动力学模型对关节位置信号进行二次微分运算，或直接读取控制器规划模块输出的关节期望加速度指令，获取各关节的实时加速度信息；s5，设计与机器人实时运动状态相关联的动态阈值，该阈值包括静态基准电流变化率阈值、与关节实时加速度关联的分量及可调经验偏置项，将实时计算的电流变化率绝对值与所述动态阈值进行比较，触发初级接触或碰撞警报；s6，引入持续时间窗判定机制和多关节信息融合机制，对初级警报进行验证，确认有效碰撞事件后，根据电流变化率超调幅度、异常持续时间及涉及关节数量，对碰撞事件进行等级划分。

3、进一步地，所述关节空间动力学模型满足：，其中为关节力矩向量，为关节角向量，为依赖关节角的质量矩阵，为科氏力和离心力系数矩阵，为关节角速度向量，为关节角加速度向量，为依赖关节角的重力项向量，为依赖关节角速度的摩擦力项向量；所述动态阈值满足：，其中为随时间变化的动态阈值向量，为静态基准电流变化率阈值，为加速度影响系数，为关节实时加速度向量，为可调经验偏置项。

4、进一步地，所述电流变化率通过以下公式计算：，其中为第个关节第时刻的电流变化率，为第个关节第时刻的采集电流值，为第个关节第时刻的采集电流值，为电流信号采样周期；所述关节加速度通过逆动力学模型计算时满足：，其中为关节角加速度向量，为质量矩阵的逆矩阵，为关节力矩向量，为科氏力和离心力系数矩阵，为关节角速度向量，为重力项向量，为摩擦力项向量。

5、进一步地，所述碰撞等级划分满足：，其中为碰撞等级量化值，为电流变化率超调权重系数，为第个关节第时刻的电流变化率，为动态阈值向量，为异常持续时间权重系数，为异常持续时间，为基准时间阈值，为涉及关节数量权重系数，为出现异常的关节数量；所述动态阈值中加速度影响系数满足：，其中为加速度影响系数，为比例系数，为质量矩阵的迹。

6、进一步地，所述多关节信息融合机制满足：，其中为融合判定值，为关节总数，为第个关节的权重系数，为第个关节第时刻的电流变化率，为第个关节的动态间值，为符号函数；所述持续时间窗判定满足：，其中为时间窗内判定值，为初次触发警报的时刻，为时间窗包括的控制周期数，为第个关节第时刻的电流变化率，为第个关节的动态阈值，为符号函数。

7、进一步地，所述伺服驱动器采用多通道同步采集模块，支持三相电流信号的并行采集，采样率设置为1khz至10khz可调，采集通道的分辨率不低于16位，且具备抗电磁干扰的屏蔽结构设计；电流信号数值微分运算采用中心差分算法，运算步长与采样周期保持一致；持续时间窗的控制周期数取值范围为2至5，多关节信息融合时各关节权重系数根据关节在机器人运动中的受力敏感性分配，取值范围为0.1至1.0；动态阈值中静态基准电流变化率阈值根据机器人无负载空载运行时的电流波动特性确定，可调经验偏置项根据不同作业场景的碰撞检测灵敏度需求进行在线调整。

8、进一步地，所述s3包括以下分步骤：s31，接收经过采集的各关节电机三相电流反馈信号，按关节序号对电流信号进行分类整理，建立每个关节的电流信号时序序列；s32，确定数值微分运算的相邻采样点间隔，基于电流信号的时序顺序提取每个关节连续两个相邻时刻的电流采样值；s33，通过预设的微分运算规则，对提取的相邻时刻电流采样值进行运算处理，得到每个关节对应时刻的电流变化量；s34，将计算得到的电流变化量按时间顺序和关节序号进行关联存储，形成各关节的电流变化率时序数据，为碰撞检测提供观测量。

9、进一步地，所述s4包括以下分步骤：s41，若采用逆动力学模型计算关节加速度，先获取机器人各关节的实时位置信号，按预设的时间间隔对位置信号进行连续采样，形成位置时序数据；s42，对采集的位置时序数据进行一阶微分运算，得到各关节的角速度时序信号，再对角速度时序信号进行二次微分运算，获得关节角加速度初始值；s43，若直接读取期望加速度指令，与控制器规划模块建立数据通信链路，实时接收模块输出的各关节期望加速度指令数据；s44，对通过两种方式获得的加速度数据进行时序对齐处理，去除数据传输过程中的延迟偏差，形成各关节的实时加速度信息集合。

10、进一步地，所述s5包括以下分步骤：s51，获取机器人动力学模型中的质量矩阵关联参数，结合关节运动特性确定加速度影响系数的初始取值，基于系统无外部接触时的电流噪声水平设定静态基准电流变化率阈值；s52，实时采集各关节的加速度信息，将加速度绝对值与加速度影响系数进行运算，得到与运动关联的动态调整分量；s53，根据作业场景的碰撞检测需求，设定可调经验偏置项的具体数值，将静态基准阈值、动态调整分量与经验偏置项进行叠加运算，得到实时动态阈值；s54，提取各关节的实时电流变化率绝对值，与对应的实时动态阈值进行逐一比对，当电流变化率绝对值超过动态阈值时，生成并输出初级接触或碰撞警报信号。

11、一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法，该方法通过一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制系统实现，包括：关节动力学模型构建单元，用于建立被控机器人的关节空间动力学模型，确定各力学参数之间的关联关系，为分析提供理论基础；多通道电流信号采集单元，与机器人伺服驱动器建立连接，以高采样率实时采集各关节电机的三相电流反馈信号，并进行分类存储；电流变化率计算单元，接收电流信号采集单元输出的数据，通过数值微分运算获取各关节的电流变化率时序数据；关节加速度获取单元，通过逆动力学模型运算或直接读取控制器指令两种方式，采集并处理得到各关节实时加速度信息；动态阈值运算与碰撞初级判定单元，接收加速度信息与电流变化率数据，计算实时动态阈值并进行比对，触发初级警报；碰撞等级确认与控制响应单元，接收初级判定单元的警报信号，通过持续时间窗判定和多关节信息融合确认有效碰撞事件并划分等级，根据等级输出对应的柔顺控制指令，各单元通过数据总线建立双向通信连接，进行信号的实时传输与处理。

12、有益效果：本发明提出一种基于关节电流反馈的机器人碰撞检测及柔顺控制方法，以关节电流变化率为核心观测量，替代传统电流绝对值检测，大幅提前碰撞检测触发时机，解决了现有方案响应滞后的问题，让碰撞识别从电流积累超阈阶段前移至电流突变初始阶段，显著缩短安全响应时间；同时引入与机器人实时运动加速度强相关的动态阈值，结合多关节信息融合与持续时间窗判定机制，精准区分运动惯性引发的电流正常波动与外部碰撞导致的电流异常变化，从根本上降低了系统误报率。采用高采样率、高分辨率的多通道同步采集模块及抗干扰设计，通过优化的数值运算算法与参数配置策略，进一步提升检测精度与稳定性。本发明无需依赖额外外部传感器，在控制成本的同时，通过碰撞分级与对应的柔顺控制策略，实现了不同风险等级碰撞的精准响应，既保障了人机协作安全，又避免了不必要的任务中断，提升机器人在复杂工况下的安全性能与作业可靠性。