机器人末端负载辨识

来源 | 知乎

作者 | 桂凯

 

▌1.负载辨识的意义

之前的文章中由提到如何进行机械臂整体的动力学参数辨识，它需要机械臂所有轴都运动起来，为此需要留给机械臂较大的自由运动空间。机械臂在实际工作中，需要安装不同的夹具和负载，这会引起机械臂动力学特性的改变。尤其是在大负载搬运的场合，需要区分有负载与空载两种模式，设置两套动力学参数。

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▌2.负载辨识的方法

之前的文章中由提到如何进行机械臂整体的动力学参数辨识，它需要机械臂所有轴都运动起来，为此需要留给机械臂较大的自由运动空间。机械臂在实际工作中，需要安装不同的夹具和负载，这会引起机械臂

辨识这些负载特性当然可以重复一次全臂动力学辨识过程，获取一组新的动力学参数；然而这种方式需要机械臂较大的自由运动空间，这对于实际一些工作场景中难以保证。所以负载辨识一般不需要机械臂所有轴都参与运动。接下来以常见的工业六轴机械臂为例，探讨末端负载辨识的方法。

机械臂的负载种类

机械臂上的负载类型有很多，如上图，这里讨论的是安装在机械臂末端的一类负载（Payload）。描述负载的质量分布需要十项参数：

其中第1项为负载质量，第2~4项为负载的惯性矩（质量乘以质心），第5~10项为惯性张量； 

所谓的负载辨识就是辨识这十项参数。

注意到，我们之前提到过的全臂动力学辨识，是辨识一组最小惯性参数集，无法把每根杆件的十项参数独立辨识出来，而在负载中，是需要把负载着十项参数都完全独立辨识出来的，这样才可以将着十项参数补充到全臂的最小惯性参数集中。

• 运动轴选择

显然，负载辨识中我们更希望大轴不动，小轴运动，这样机械臂的运动范围会比较小。

并且由这些运动轴所构成的最小参数集的数目要不小于10，这样才能从最小惯性参数集中提取十项末端负载参数。

首先单独只有六轴运动，最小惯性参数集小于10，是不能满足要求的。接下来以各大家机器人公司的负载辨识方法来说明运动轴的选取及负载辨识方法。

 

▌3.负载辨识案例

FANUC: 5,6轴运动，其他轴固定，所需的运动范围很小。此时的最小惯性参数集数目为10。

下面的要求，主要是要让负载的动力学特性能在关节力矩中有所体现，否则辨识精度较低。

Kuka: 3,5,6轴运动，最小惯性参数集数目大于10。3轴运动范围较小，使得机械臂整体运动所需范围较小。

辨识的负载参数精度与实际负载的关系如下（其他几家的性能也差不多）：

这里可以思考一个问题，为什么负载越大，辨识精度反而能越高？负载越大，负载引起的动力学才能在力矩中有所体现，若负载过小，则会被摩擦力及电流环等噪声淹没。

ABB：前面两家的辨识功能，小编只看过纸质文档说明，没看过具体操作，所以有些细节不好判断；ABB的看过一些辨识过程的具体视频，故对ABB的相关功能介绍得详细点。

3,5,6轴运动，最小惯性参数集数目大于10。3轴运动范围较小，跟Kuka的类似使得机械臂整体运动所需范围较小。ABB负载辨识过程的操作视频：机器人1,2,4轴工作在机器人零点附近，3,5,6轴按照上图进行运动（应该类似于PTP运动），小臂保持在水平面上；从视频中看，整个辨识过程机器人各轴运动不快，且各轴是依次运动，没有联动的。据小编推测，每次单轴运动，相当于把动力学变成了单连杆的形式，每组运动辨识一项负载参数，比如若只有5轴运动，其他轴在零点附近，则整个系统的动力学方程变为了tau=mz*f(theta_5)，这样既可辨识出负载的mz。

 

▌4.三轴联动辨识

ABB的负载辨识中，对机械臂各轴的初始位置要求较高（需在零点附近），这样会便于单轴动力学建模，且ABB的负载辨识时间较长，半小时左右。回顾之前说的全臂动力学方法，我们可以尝试将六轴动力学方程中的1,2,4轴角度固定，这样整个动力学变为以3,5,6轴运动的三轴动力学方程。然后3,5,6轴联动，运行激励轨迹，其中3轴运动范围可设小一点。这样也可将负载参数辨识出来。

对如下的负载进行辨识，现在SolidWorks里大致测量出负载属性（机器人额定负载10公斤）

整个实施过程比较快，机器人运行不到1分钟。转动惯量的辨识精度很不理想，其他参数精度在10%左右。这主要是由于转动惯量本身的值过小，且跟加速度有关，而运行中加速度较小，转动惯量相关的动力学贡献量很小，进而导致转动惯量估计精度很低。ABB、Kuka等辨识的也以质量与质心为主。

 

▌5.总结

从理论上分析，这两种负载辨识的方法都是可行的。但ABB采用单轴分离运动进行负载辨识肯定有它的考虑，也期待懂行的人分享更多的技术细节。国产机器人技术的提高，不是一味地强调我们的技术比四大家族强，而是能结合理论与实践经验，先弄清楚人家为什么那么做。

 

—— 完 ——