第7期 2016年7月
组合机床与自动化加工技术
ModularMachineTool&Automatic ManufacturingTechnique
文章编号：10012265(2016)07005604
DOI:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 07.016
No.7 Jul.2016
基于电流的机器人故障检测与安全保护研究*
宋吉来12.3，徐方1,23，邹风山
（1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016;2.中国科学院大学，北京
100049；3.沈阳新松机
器人自动化股份有限公司，沈阳110068）
摘要：提出一种基于电流的机器人故障检测与安全保护方法。当机器人运行中发生齿轮、抱闸等故障或与外界环境发生碰控时，电机电流会发生突变，因此可以根据这种异常变化判断故障和硅撞的发生。通过直接检测电机电流，利用电机模型与机器人动力学模型，估计外作用力，对故障或碰撞的发生间接测量，实现保护功能。结合动力学控制、关节转矩控制，并采用硅片传输机器人进行碰撞保护实验，实际运行结果验证了该方法的有效性。
关键词：故障检测；安全保护；机器人控制；动力学控制
中图分类号：TH16;TG659
文献标识码：A
RobotFaultDetection and SafetyProtectionBased onCurrent
SONG Ji-lai'-2,3,xU Fang"-2,3,ZOU Feng-shan
(1. Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 110049, China)
Abstract: An approach of robot fault detection and safety protection based on current is presented. When the robot operation, the occurrence of gear,holding brake fault or collision with the external environment,the motor current will change suddenly,so this abnormal changes can be used to determine fault and collision oc-curs. By directly detecting the motor current,followed by use of the motor model and the robot dynamics model to estimate extermal force,and indirect measuring fault or collision,collision protection can be a-chieved. Finally,combined with dynamics control and joint control torque,collision protection experiments are carried out on clean-room robot,and actual operating results demonstrate the effectiveness of this meth-od.
Key words: fault detection;safety protection;robot control;dynamic control
0引言
随着科学技术的发展，机器人、数控机床等设备越来越多的应用在生产、加工、制造等领域。在这些应用中，故障检测与安全保护已然成为这一领域研究的主要问题(1]。当机器人与人或其它设备协同工作时，一次偶然的碰撞会影响整个生产线的效率，甚至对机器人及周围环境设备（特别是人)造成很大的伤害，避免这样的碰撞发生或及时判断出发生碰撞对于机器人、数控设备或人的保护是非常必要的。
根据传感方式的不同，多种策略被应用于机器人和数控设备的故障诊断与安全保护控制3)。一种策略是采用六维力/力矩传感器，其安装在机器人腕部，通过假设末端执行器为刚性连接，作用在机器人末端的外力可以被计算出来。然而，这种高灵敏度的力/力矩
传感器价格比较高，常应用于高精度力控制场合，如高精度装配及抛光等领域，限制了其应用范围。第二种策略是采用关节转矩传感器，其安装在机器人关节处[4]。如果关节转矩为↑，那么末端执行器所受外力可以通过=JF计算得到，其中J为机器人的雅可比矩阵。这种方法对机器人的安全控制是很方便的，但传感器的安装增加了关节的柔性，加大了建模与控制的难度，甚至可能引起振动。第三种方法是结合电机模型与控制，采用状态观测器或扰动观测器。Sun 和Mills描述了一种采用转矩控制模型的转矩观测器，其基于电机电流和位置信息[3]。Ohnishi设计了一种扰动观测器，以补偿电机的扰动转矩"。同时，基于扰动观测器和摩擦模型（73），只需电机电流和位置信息可以得到机器人与环境作用的反应转矩，而不需要额外的力/力矩传感器。
收稿日期：2016-03-08；修回日期：2016-0318
*基金项目：国家科技重大专项：硅片集成传输系统研发和示范应用（2014ZX02103005）
作者简介：宋吉来（1983一），男，辽宁营口人，中国科学院大学博士，研究方向为机器人运动控制与力控制，（E-mail)）songilai@siasun.com。万方数据