基于串联式六维力传感器的机器人实验平台与操作方法与流程

1.本发明涉及机器人人机交互以及柔顺控制技术领域，特别是涉及一种基于串联式六维力传感器的机器人实验平台与操作方法。


背景技术：

2.目前机器人操作实验平台种类冗杂，在不同的任务场景中，需要不断的更换操作实验平台以适应不同法人工作任务。同时，随着工业机器人智能化水平不断提高,基于力传感的人机协作也成为研究热点。其中，面向人机协作的机器人牵引式示教,由于其互动友好的特点,对未来的机器人示教技术发展具有革命性意义。
3.人
‑
机
‑
环境物理交互是人
‑
机
‑
环境自然交互中的一种重要方法，其有助于人和机器人在同一环境下协同完成同一工作，从而充分发挥两者优势，实现两者优势互补。同时，人
‑
机
‑
环境物理交互可以将人所掌握的操作技能传授给机器人，从而使机器人在非专业人士的引导下学得一项或多项工作的操作技能。在开展接触任务的人
‑
机
‑
环境物理交互过程中，机器人需要基于人的行为意图和机器人与外部环境之间的接触状态进行决策。人的行为意图可通过感知人手施加于安装在机器人末端的牵引力间接获取，而接触状态可通过感知机器人与外部环境之间的接触力间接获取。然而，受限于腕式力传感器难以实现牵引力和接触力的解耦感知，现有方法主要基于牵引力和接触力的合力开展接触任务的人
‑
机
‑
环境物理交互。这使机器人难以区分人的行为意图和接触状态，进而致使机器人难以同时准确掌控与外部环境的接触状态和准确顺从人的行为意图。
4.因而，造成的结果是现有人
‑
机
‑
环境物理交互方法仅适用于接触状态无需精确控制的接触任务，而不适用于接触状态要求精确可控的接触任务。在此类情况下，因人体无法感知机器人末端与环境之间接触力，致使基于牵引力和接触力的合力的人
‑
机
‑
环境物理交互方法较易因误操作造成环境和机器人的损伤，也无法顺利完成接触任务。
5.此外，采用传统模式的人
‑
机
‑
环境物理交互也不具备自主学习功能，基于现有方法开展接触任务的人
‑
机
‑
环境物理交互时，机器人获取的任务示范样本中的状态信息与机器人自主执行任务过程所经历的状态不满足独立同分布假设，故而机器人难以学得有效的接触任务策略。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于串联式六维力传感器的模块化机器人操作实验平台以及该平台的使用方法。该发明解决了目前实验操作平台冗杂且难以适应不同装配场景的问题。该发明可大大的提高机器人的工作效率，完成复杂的工作任务，大大的提高了机器人的装配精度。
7.本发明提供如下技术方案：基于串联式六维力传感器的机器人实验平台，包括有一个固定的水平的实验平台，并在实验平台的下方安装可调整底座，同时在实验平台的上方设有安装面板以便安装机器人以及其他附件，其特征在于，所示的实验平台表面安装有
机器人底座，机器人底座上安装有机器人手臂，机器人手臂的末端安装有tcp圆盘用于连接法兰，并通过法兰安装有一个六维力传感器；
8.所述的实验平台上还设置有一个可以拆卸的固定装夹装置，用于实现不同零件的夹紧安装；所述实验平台的上的安装面板上设置有深度相机，用于对信息进行采集；
9.所述的六维力传感器为一个截面为梯形的柱状结构，其周围一圈为牵引力传感器，其底部为接触力传感器，其顶部设置有法兰盘用于与机器人手臂上的 tcp圆盘进行连接。
10.优选的，所述的六维力传感器内部设置有中心立柱，中心立柱的顶端直接跟法兰盘连接用于安装。
11.优选的，所述中心立柱的底端通过螺钉直接与接触力传感器弹性固定端连接，中心立柱周围则直接通过传感件与牵引力弹性固定端进行连接。
12.基于串联式六维力传感器的机器人操作方法，其特征在于，包括有如下步骤：
13.(1)构建机器人操作实验平台；其主要由机器人实验平台支架、串联式六维力传感器、深度相机(或双目相机)、机器人及机器人操作实验平台配套装置组成。串联式六维力传感器主要包括牵引力传感器与接触力传感器，其通过法兰安装至机器人末端，牵引力传感器在上，接触力传感器在下。
14.(2)感知牵引力、接触力；在所述基于人
‑
机
‑
环境交互的接触任务操作方法获取过程中，采用力传感器实现牵引力与接触力的解耦感知，用串联式六维力传感器的结构解耦方式来感知牵引力和接触力。
15.(3)针对获取的作用在串联力传感器的真实外力值，机器人可以同时准确感知人的行为意图和接触状态，并准确顺从人的行为意图和准确的表现出对环境的柔顺性。
16.(4)安装机器人操作实验平台中的深度相机(或双目相机)实现对操作物体的定位。
17.(5)在实验平台上进行模块化固定装夹装置的安装，该装置有插孔式、夹持式、压紧式等方式，且该固定装夹装置为可拆卸结构，用于针对不同的零部件。
18.优选的，所述感知牵引力、接触力具体为：串联力传感器的一个感知单元需对施加于侧面的牵引力敏感(牵引力传感器)，另一个需对施加于末端面的接触力敏感(接触力传感器)，且两个感知单元之间不能相互干扰。
19.优选的，串联式力传感器的接触力传感器底部为传感器弹性体，其自由端与串联式力传感器的末端面固连以实现接触力的感知，其固定端与中心立柱连接。
20.优选的，串联式力传感器的牵引力传感器弹性体的自由端与串联力传感器的侧面固连以实现牵引力感知，该自由端与中心立柱固连。
21.在应用中，施加于串联力传感器末端面的接触力经弹性体、中心立柱传递至连接法兰，最终传至机器人末端。以此连接方式，牵引力与接触力不会传递至对方的弹性体，且牵引力与接触力可以分别被串联连接的两个感知单元所感知。
22.优选的，对于机器人表现出的对环境的柔顺性具体为：定义沿x
s
/y
s
/z
s
轴移 l
x
/l
y
/l
z
的动作原语a1，a2，a3绕x
s
/y
s
/z
s
轴转动α/β/γ的动作原语a4，a5，a6，根据牵引力传感器输出值确定机器人在时间步t的期望动作a
′
t
，针对无需维持恒定接触力的接触任务，基于接触力值和机器人末端与环境之间的距离对期望动作a
′
t
进行修正。
23.优选的，所述深度相机的安装具体为：将深度相机(或双目相机)安装至机器人操作实验平台上端的安装面板上，并可任意调整其角度，调整相机视角至最佳角度，对操作物体进行定位。
24.优选的，所述的式六维力传感器与机器人通过螺钉和法兰进行紧固，实验固定平台可以进行个性化定制以适应不同的实验情景，串联式六维力传感器包括牵引力传感器以及接触力传感器，牵引力传感器通过螺钉安装在机器人的末端，为防止牵引力传感器与接触力传感器在进行数据采集时出现数据耦合的现象，本串联式六维力传感器采用传感器结构解耦，在牵引力传感器的另一端部与接触力传感器的端部以螺钉进行连接。模块化固定装夹装置通过螺钉可以安装至实验固定平台上以适应不同的实验情景。可调整底座安装在实验固定平台下方以根据地面的平整度对实验平台进行调整。
25.本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
26.(1)提出了一种基于串联力传感器的人
‑
机
‑
环境物理交互系统，采用力传感器实现牵引力与接触力的解耦感知，用串联式六维力传感器的结构解耦方式来感知牵引力和接触力，机器人可以基于串联力传感器实现接触力与牵引力的同时感知，实现机器人同时准确掌握与外部环境之间的接触状态和对操作者行为意图的顺从，更好的实现人
‑
机
‑
环境的自然交互与共融。
27.(2)多样化机器人操作实验平台适应性强：
28.在固定式的机器人操作实验平台中，其受限于实验平台的局限性以及灵活性，使得实验平台难以得到充分的利用，不能适用于复杂可变的实验及操作环境。该机器人实验操作平台具有轻巧、易组装、可叠加的优点。灵活性高，不易受空间的限制，可适应复杂可变的实验场景以及操作环境。
附图说明
29.图1是本发明实施例实验平台正视示意图
30.图2是图1的a向视图
31.图3是本发明实施例结构图
32.图4是本发明实施例牵引力传感器与中心立柱连接方式示意图
33.图5是本发明实施例中心立柱与法兰连接方式示意图
34.图6是本发明实施例中心立柱示意图；
35.图中：1实验平台，2可调整底座，3安装面板，4机器人底座，5机器人手臂，6法兰，7六维力传感器，8牵引力传感器，9接触力传感器，10深度相机， 11中心立柱，12固定装夹装置。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
37.请参阅图1
‑
6，本发明提供如下技术方案：基于串联式六维力传感器的机器人实验
平台，包括有一个固定的水平的实验平台1，并在实验平台1的下方安装可调整底座2，同时在实验平台1的上方设有安装面板3以便安装机器人以及其他附件，所示的实验平台表面安装有机器人底座4，机器人底座4上安装有机器人手臂5，机器人手臂5的末端安装有tcp圆盘用于连接法兰6，并通过法兰6 安装有一个六维力传感器7。所述的实验平台1上还设置有一个可以拆卸的固定装夹装置12，用于实现不同零件的夹紧安装；所述实验平台1的上的安装面板 3上设置有深度相机10，用于对信息进行采集；所述的六维力传感器7为一个截面为梯形的柱状结构，其周围一圈为牵引力传感器8，其底部为接触力传感器 9，其顶部设置有法兰盘用于与机器人手臂5上的tcp圆盘进行连接。
38.1)实验固定平台的安装：
39.将设计的型材依次安装，并在实验平台的下方安装可调整底座，同时在实验平台的上方安装面板以便安装机器人以及固定装夹装置，调整可调整底座，使用水平仪进行测量，使实验固定平台处于水平位置；
40.2)机器人的安装：
41.首先，将机器人底座与实验固定平台面板上面的螺纹孔进行配合，以螺钉连接，保证机器人底座与面板处于一个水平面。
42.3)串联式六维力传感器的安装：
43.串联式六维力传感器分为牵引力传感器与接触力传感器两部分。首先，将牵引力传感器端部的圆孔与连接法兰连接，然后连接法兰与机器人末端的tcp 圆盘上的圆孔进行配合，再以螺钉进行连接，在安装时注意对螺钉的紧固力适中即可，避免损坏牵引力传感器的内部构件。为防止牵引力传感器与接触力传感器在进行数据采集时出现数据耦合的现象，本串联式六维力传感器采用传感器结构解耦，在牵引力传感器的另一端部与接触力传感器的端部以螺钉进行连接，紧固力适中。
44.4)模块化固定装夹装置的安装：
45.此发明以插孔装配实验为例：采用方形的装配件进行方孔插入的实验。将方形的装配件安装至接触力传感器的末端，圆孔对齐，以螺钉连接。将方孔装置安装至实验固定平台的面板上，面板上有根据不同实验要求所打的螺纹孔用以固定实验装置。
46.5)深度相机(或双目相机)的安装：
47.由于本实验平台亦可以进行视觉以及力觉信息的同时采集以实现在信息融合下的机器人装配任务，因此，本实验平台安装有深度相机(或双目相机)。深度相机(或双目相机)上的圆孔与相机托板上面的圆孔以螺钉连接，然后将深度相机(或双目相机)托板安装至实验固定平台的上方，其两者以三角键进行连接固定。
48.基于串联式六维力传感器的机器人操作方法，包括有如下步骤：
49.(1)构建机器人操作实验平台；其主要由机器人实验平台支架、串联式六维力传感器、深度相机(或双目相机)、机器人及机器人操作实验平台配套装置组成。串联式六维力传感器主要包括牵引力传感器与接触力传感器，其通过法兰安装至机器人末端，牵引力传感器在上，接触力传感器在下。
50.(2)感知牵引力、接触力；在所述基于人
‑
机
‑
环境交互的接触任务操作方法获取过程中，采用力传感器实现牵引力与接触力的解耦感知，用串联式六维力传感器的结构解耦方式来感知牵引力和接触力。
51.(3)针对获取的作用在串联力传感器的真实外力值，机器人可以同时准确感知人的行为意图和接触状态，并准确顺从人的行为意图和准确的表现出对环境的柔顺性。
52.(4)安装机器人操作实验平台中的深度相机(或双目相机)实现对操作物体的定位。
53.(5)在实验平台上进行模块化固定装夹装置的安装，该装置有插孔式、夹持式、压紧式等方式，且该固定装夹装置为可拆卸结构，用于针对不同的零部件。
54.在本实施例中，所述感知牵引力、接触力具体为：串联力传感器的一个感知单元需对施加于侧面的牵引力敏感(牵引力传感器)，另一个需对施加于末端面的接触力敏感(接触力传感器)，且两个感知单元之间不能相互干扰。
55.在本实施例中，串联式力传感器的接触力传感器底部为传感器弹性体，其自由端与串联式力传感器的末端面固连以实现接触力的感知，其固定端与中心立柱连接。
56.在本实施例中，串联式力传感器的牵引力传感器弹性体的自由端与串联力传感器的侧面固连以实现牵引力感知，该自由端与中心立柱固连。
57.在本实施例中，施加于串联力传感器末端面的接触力经弹性体、中心立柱传递至连接法兰，最终传至机器人末端。以此连接方式，牵引力与接触力不会传递至对方的弹性体，且牵引力与接触力可以分别被串联连接的两个感知单元所感知。
58.在本实施例中，对于机器人表现出的对环境的柔顺性具体为：定义沿x
s
/y
s
/z
s
轴移l
x
/l
y
/l
z
的动作原语a1，a2，a3绕x
s
/y
s
/z
s
轴转动α/β/γ的动作原语a4，a5，a6，根据牵引力传感器输出值确定机器人在时间步t的期望动作a
′
t
，针对无需维持恒定接触力的接触任务，基于接触力值和机器人末端与环境之间的距离对期望动作a
′
t
进行修正。
59.在本实施例中，所述深度相机的安装具体为：将深度相机(或双目相机) 安装至机器人操作实验平台上端的安装面板上，并可任意调整其角度，调整相机视角至最佳角度，对操作物体进行定位。
60.在本实施例中，所述的式六维力传感器与机器人通过螺钉和法兰进行紧固，实验固定平台可以进行个性化定制以适应不同的实验情景，串联式六维力传感器包括牵引力传感器以及接触力传感器，牵引力传感器通过螺钉安装在机器人的末端，为防止牵引力传感器与接触力传感器在进行数据采集时出现数据耦合的现象，本串联式六维力传感器采用传感器结构解耦，在牵引力传感器的另一端部与接触力传感器的端部以螺钉进行连接。模块化固定装夹装置通过螺钉可以安装至实验固定平台上以适应不同的实验情景。可调整底座安装在实验固定平台下方以根据地面的平整度对实验平台进行调整。
61.在基于串联式六维力传感器的模块化机器人操作实验平台的基础上，开发了人
‑
机
‑
环境物理交互系统，下为该物理交互系统的原理：
62.在基于人
‑
机
‑
环境交互的接触任务操作方法获取过程中，牵引力是机器人获取示范动作的重要信息。而末端执行器与环境之间的接触力是必须的状态信息，在示教中，人手施加的牵引力可以使机器人获取人的行为意图，以便顺从人的行为意志，进而获取在当前状态下所应采取的动作。在机器人执行接触任务过程中，末端执行器与环境之间的接触力有助于使机器人获取两者之间的接触状态，从而为动作决策奠定基础。所以，接触力是机器人完成接触任务所必须的状态信息。为了使机器人能够根据接触力进行决策，机器人所获取的任务示范样本中的状态需要包含纯净接触力信息。因而，在接触任务动觉示教过程中，
机器人需要感知接触力和牵引力。
63.在接触任务动觉示教中，需要采用力传感器实现牵引力和接触力的解耦感知。牵引力和接触力的施力主体分别是人和机器人。在此，用串联式六维力传感器的结构解耦方式感知牵引力和接触力。
64.为了实现机器人接触任务中的信息感知，需将串联力传感器固接至机器人末端，并将末端执行器安装至传感器的末端面。在采用串联力传感器进行接触任务动觉示教时，人手需抓住牵引力传感器的侧面，并通过施加牵引力控制机器人动作以使机器人末端执行器对目标物体进行操作。在动觉示教过程中，人手施加于牵引力传感器的牵引力和牵引力矩向机器人传递人期望机器人在当前状态采取的动作。与此同时，接触力传器感知的末端执行器与环境之间的接触力和接触力矩可以准确反映两者之间的接触状态。所以，在接触任务动觉示教过程中，机器人可以基于串联力传感器实现接触力和牵引力的同时感知，从而为机器人柔顺操控和接触任务的学习奠定基础。
65.在获取作用于串联力传感器的真实外力值之后，可根据牵引力和接触力实现机器人的柔顺操控，而从使机器人在人的引导下完成接触任务。根据机器动觉示教的特点，定义了沿x
s
/y
s
/z
s
轴移l
x
/l
y
/l
z
的动作原语a1，a2，a3绕x
s
/y
s
/z
s
轴转动α/β/γ的动作原语a4，a5，a6。为了使机器人基于所定义的动作原语能实现正方向的移动和转动，又能实现负方向的移动和转动，根据牵引力传感器输出值确定机器人在时间步t的期望动作a
′
t
的符号，即:
[0066][0067]
其中：
[0068][0069]
*表示两个向量的对应元素相乘，sgn()为符号函数，abs为绝对值函数，
[0070]
为设定的牵引力/力矩阈值， a＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6)
t
。
[0071]
在基于串联式六维力传感器进行动觉示教时，机器人的动作既取决于牵引力，又取决于接触力，针对无需维持恒定接触力的接触任务，如对物体进行按压任务、家具的开关任务等，基于接触力值和机器人末端于环境之间的距离a
′
t
的修正方法为：
[0072][0073]
其中：
[0074][0075][0076][0077][0078]
d
ist
是机器人末端于环境中目标物体之间的距离，k
a
是机器人动作原语的比例系数，l
a
是机器人末端于环境中目标物体之间距离的阈值，分别是接触力的最小阈值、最大阈值，k
d
‑
f
是机器人末端于环境之间处于非接触状态 (自由运动状态)时动作a
′
t
的常系数矩阵(正对角矩阵)，k
′
d
‑
t
、k
″
d
‑
t
均是机器人末端与环境之间处于过渡状态时动作a
′
t
的比例系数矩阵，k
t
是机器人末端与环境之间处于过渡状态且接触力值大于最大阈值时的比例系数矩阵， k
′
d
‑
c
、k
″
d
‑
c
均是机器人末端与环境之间处于接触状态时动作a
′
t
的比例系数矩阵，k
′
c
是机器人末端与环境之间处于接触状态且接触力值小于最大阈值时的比例系数矩阵，k
″
c
是机器人末端与环境之间处于接触状态且接触力值大于最大阈值时的比例系数矩阵。
[0079]
为了使基于位置控制的机器人在接触任务动觉示教过程中表现出对环境的柔顺性，在a
′
t
修正中加入了刚度矩阵k
d
‑
f
、k
′
d
‑
t
、k
″
d
‑
t
、k
′
d
‑
c
、k
″
d
‑
c
，从而使机器人接触任务动觉示教表现出与位置型导纳控制相似的特征。此外，可变比例系数矩阵k
′
d
‑
t
、k
″
d
‑
t
、k
′
d
‑
c
、k
″
d
‑
c
。其中的元素值随着机器人末端与环境之间接触状态变化而改变，从而使机器人接触任务动觉示教表现出与变导纳控制相似的特性。
[0080]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。