Определение параметров физического взаимодействия между роботом и средой с использованием внутренних и внешних сенсоров

Аннотация

Введение: разработка робототехнической системы, в которой робот и человек безопасно и эффективно решают поставленную задачу, является одним из ключевых вызовов в области индустриальной робототехники. Для такой совместной рабочей ячейки не исключено прямое физическое взаимодействие между роботом, человеком и средой. Цель: разработать метод для идентификации параметров физического взаимодействия, включающих в себя силу взаимодействия и точку ее приложения. Результаты: предложен аналитический алгоритм расчета параметров взаимодействия с использованием измерений, полученных от внутренних датчиков крутящего момента в шарнирах робота и внешнего сенсора глубины. Алгоритм основан на расширении уравнений статического равновесия, позволяющем найти искомую силу взаимодействия и линию ее действия. Далее это общее решение сочетается с геометрическими ограничениями, описывающими поверхность манипулятора и соответствующий конус трения. Особое внимание уделено сингулярным случаям, возникающим при пересечении линией действия силы взаимодействия одной или нескольких осей датчиков, приводящих к множеству решений. Практическая значимость: ключевой особенностью предложенного алгоритма является его аналитический характер, что позволяет существенно сократить время вычислений по сравнению с традиционными подходами, основанными на методах прямой оптимизации. Таким образом, предложенный алгоритм хорошо подходит для реальных промышленных применений, где время отклика имеет решающее значение из соображений безопасности. Кроме того, алгоритм способен оценить искомые параметры даже в некоторых сложных случаях с множеством возможных решений. Существующие методы обычно игнорируют такие случаи. Полученные результаты показали, что идентификация параметров взаимодействия робота и среды с использованием только внешних сенсоров крайне затруднительна, однако внешние сенсоры могут значительно снизить неопределенность результатов, полученных с помощью внутренних сенсоров робота в сингулярных случаях.