基于外力矩观测器的机器人碰撞检测

碰撞检测技术可以降低设备损坏和人身伤害的几率,在现代化的人机协作生产中起着重要的作用。实现免外力矩传感器的碰撞检测需要准确地估计工业机器人受到碰撞时的关节外力矩。然而,动力学模型的参数辨识误差以及电机电流的测量误差等因素会影响外力矩估计的准确性。为了解决这些问题,本文设计了一种扰动卡尔曼滤波外力矩观测器。该观测器基于扰动原理将外部碰撞等效的外力矩作为扰动项,并定义关节扰动模型。同时,引入机器人的广义动量构建状态空间方程。考虑到动力学模型的参数辨识以及电机电流的测量存在误差,基于卡尔曼滤波算法进行迭代估计,从而得到最优的外力矩观测值。为了提高碰撞检测的灵敏度,本文提出了一种随关节速度变化的时变对称阈值函数,用于实现碰撞检测。该方法可以根据关节速度的变化调整阈值,以适应不同工作速度下的外力矩观测值。实验结果表明,与广义动量观测器相比,所提出的观测器在外力矩估计的整体精度上提高了52.03%。为了验证所提方法的有效性,本文利用6自由度串联关节型工业机器人进行了碰撞检测实验。实验结果显示,相比于静态阈值,采用时变阈值的方法缩短了58.06%的检测延时,从而可以提高碰撞检测的灵敏度,更有利于工业机器人的安全操作和碰撞防护。

基于惯性预测的机器人变刚度碰撞检测系统

针对机器人碰撞检测开关存在弹簧预紧力大、碰撞力阈值高的问题,提出了“惯性预测+电磁伺服”的变刚度模式来弥补该方法的不足。根据机器人手部加速度的测量及预估值实时调节伺服电磁力,碰撞传感器的预紧力由固定的弹簧力与可控电磁力叠加,实现预紧力与手部惯性力的动态平衡,使传感器始终保持高灵敏度。将该碰撞传感器安装于6自由度机器人腕部与手部之间,在碰撞过程中记录触发传感器报警的碰撞力值,实验结果验证了该变刚度碰撞检测方法的可行性。

糖果包装机虚拟拆装碰撞检测研究

目的为了提高虚拟装配系统中碰撞检测的效率,提出以AABB包围盒粗检测和深度图细检测的碰撞检测方法。方法首先利用SolidWorks软件建立BZ350糖果包装机模型,以STL格式导入到引擎中,通过对零件先建立AABB包围盒做粗检测后,分别对2个零件获取对应的深度图,使用OpenCV对2张深度图相叠加,根据叠加后像素值的大小来判断零件是否发生了碰撞。结果实验表明,当叠加后深度值小于100的数量占所有深度值不为0的数量的比例大于86.2736%时,即可认定两零件发生碰撞。结论对比传统检测算法,此算法在保证了检测速度和检测精度的前提下,对复杂模型的检测具有优势,并且保证了运行的速度在40帧/s以上的流畅运行。

基于椭球体建模的多机器人碰撞检测方法研究

多机器人协同工作共享的工作空间使得机器人彼此之间存在交互运动,这将不可避免地导致机器人在运动过程中发生碰撞现象,一旦碰撞发生就会造成严重的操作事故,所以碰撞检测是多机器人协作技术中重要的环节之一。针对多机器人碰撞检测问题,主要研究基于离散的碰撞检测,在规划的路径上划分时间步,反复地进行静态碰撞检测,从而完成机器人在运动过程中的碰撞检测。针对基于椭球体建模的多机器人碰撞检测问题,采用椭球体包围机器人连杆、关节等结构,获取空间椭球体间最短距离来判断机器人间是否有碰撞发生。针对椭球体间最短距离的求解,采用基于椭球坐标系的最短距离求解算法,以其中一椭球体中心为原点和椭球的半轴长建立局部椭球坐标系,利用等高面的概念来求解另一椭球体到椭球坐标系原点的最短距离,计算效率更快。对机器人结构参数进行初始化,并提取规划路径的空间位置参数,在路径上划分时间步,在每一个时间步上反复调用碰撞检测算法函数,从而获取机器人运动过程中各个离散点的最短距离,最终得到最短距离变化曲线,进行碰撞检测。并通过一个仿真算例验证了此方法的有效性。

基于工作面地质模型自适应开采的碰撞检测方法研究

由于综采工作面生产过程中粉尘、水雾导致摄像头视频模糊,通过视频无法常态化实现采煤机和液压支架碰撞检测,使得智能开采技术的实用性受限,文章提出了基于综采工作面高精度地质模型自适应开采的采煤机和液压支架碰撞检测方法。基于综采工作面高精度地质模型的自适应开采系统下发采煤机规划采高数据,结合采煤机的采高传感器数据和液压支架的高度传感器数据,实时对采煤机滚筒和液压支架进行碰撞检测预警,触发预警后采煤机牵引停止,同时自适应开采系统弹出触发碰撞检测支架的视频窗口,待人工处理消警后采煤机继续自适应割煤。结果表明,该方法将综采工作面采煤机和液压支架的相对坐标与地质模型的绝对坐标建立关联,实现基于综采工作面液压支架高度传感器数据和规划的截割数据两种方式的预警,大大提高了综采工作面采煤机和液压支架碰撞检测预警的准确性。

基于气压感知的柔性碰撞检测皮肤设计

针对机器人在复杂环境运行中存在的碰撞安全问题,提出了一种基于气压监控的柔性碰撞检测皮肤。设计并搭建了实验台对柔性碰撞检测皮肤进行碰撞实验,对该皮肤进行了性能分析,实物实验证明:该皮肤设计具有较高的可行性与可靠性。同时,通过有限元分析方法对柔性皮肤进行了充气与碰撞过程的仿真分析,仿真验证了柔性碰撞检测皮肤设计的可行性。仿真结果与实物实验数据具有较高的一致性,验证了有限元仿真模型的可靠性。

结合多层次碰撞检测与IKFast运动学的磨削平台

针对传统磨削系统中存在的低精度和低效率的痛点,提出了一种结合多层次碰撞检测与IKFast运动学的高效磨削轨迹规划算法,并成功运用于机器人磨削平台。首先,针对磨削机器人高维构型空间复杂、难解,这里采用基于采样的运动规划算法,通过随机采样及碰撞检测来有效解决高维空间的运动规划问题。其次,基于混合包围盒AABB和OBB建立碰撞检测模型,通过多层次遍历的检测方法提高规划算法的整体效率。最后,为减轻机器人磨削轨迹中奇异点的影响,建立了IKFast运动学模型,对机器人奇异位置的正确逆解进行仿真求解,结果表明,文中方法有效增加了磨削轨迹的稳定性。

数控弯管加工碰撞检测算法研究

针对数控弯管加工碰撞检测算法计算效率低、侧重性差的问题,提出一种改进最近面碰撞检测算法。采用KPP-Means聚类算法构建三维模型层次包围二叉树结构,将碰撞检测算法划分为基于包围盒的初步碰撞检测与基于三角形面片距离场的精细碰撞检测;将一组包围盒之间的碰撞检测简化为空间线段与有限平面之间的干涉检测。基于OpenGL框架开发仿真系统对此算法进行验证。结果表明:改进最近面碰撞检测算法能正确判断加工仿真中数控弯管机零部件与成形管件的碰撞情况,同时与经典算法相比碰撞检测效率提升了42.4%,并减少了0.29 s的总仿真时间。

面向数字孪生的机械臂抓取系统碰撞检测方法的研究

机械臂运行过程中,机械臂之间及机械臂与外部环境中的人和物易发生碰撞,造成财产损失或人员受伤甚至死亡。针对此,在对比分析目前主流的路径规划算法后,将卷积神经网络与RRT Connect算法进行融合,弥补了原始算法随机性强、算法执行效率慢等缺点;同时将数字孪生引入到碰撞检测过程中,建立起虚实系统之间的数据交互,实现对抓取系统的实时监测。最后,基于CoppeliaSim软件搭建了机械臂孪生仿真平台并开展了仿真实验。结果表明:提出的检测方法具有抓取精度高、稳定性强及可靠性高的优势。

基于碰撞检测的双机械臂避障路径规划

针对协同作业的双机械臂系统,提出一种不依赖于外部传感器和无需动力学建模的实时避障路径规划方法。基于运动学和混合包围盒法简化机械臂模型与障碍物,经投影相交法快速判断干涉的可能性,将碰撞检测转化为求解最短距离,再结合速度场以及添加虚拟约束点和考虑障碍物边界来改进传统人工势场法。最后,通过MATLAB-CoppeliaSim联合仿真验证包含静态和动态障碍物的碰撞检测算法。结果表明:该碰撞检测算法适应动、静两种复杂障碍物环境,通用性较高,生成的避障路径能够跳出极小值和实现目标可达,有效保障人机交互及设备的安全性。

单向力传感器构成的测力底座在机器人碰撞检测中的应用

为保证操作者在人与机器人协作时的安全,设计了一种基于单向力传感器的碰撞检测底座,使协作机器人快速识别碰撞并做出反应。首先,采用DH参数法建立了机器人的正运动学模型,并据此推导出底座传感器所测单向力与碰撞力之间的映射关系。其次,通过分析机器人碰撞时的受力情况,利用单向力传感器设计了用于六轴机器人碰撞检测的测力底座。此外,使用ADAMS和MATLAB对机器人底座传感器的受力进行联合仿真分析。最后,根据碰撞仿真结果提出了4种碰撞判据,并从中选取灵敏度最高的那组作为机器人测力底座检测碰撞是否发生的依据。分析并验证了基于机器人底座所受单向力的变化来检测碰撞的可行性,根据碰撞仿真结果优化出灵敏度最高的碰撞判据,为优化机器人的碰撞检测提供了重要参考。

基于机载点云和单目影像的输电线与机械设备碰撞检测

在施工现场,由于塔吊等工程机械接触输电线路所导致重大安全事故频发。本文提出基于机载点云和单目影像的检测输电线路附近异物安全威胁的论证方法,拟对施工过程中可能出现的异物触电安全隐患问题进行监控及预警,避免安全事故的发生。首先,通过无人机采集施工区域的点云数据,提取电力线并建立其OBB包围盒。然后,利用摄像头拍摄电力线附近的挖掘机影像,运用深度学习方法框选挖掘机并获取选框四个顶点的像素坐标。为了将像素坐标映射至点云中得到三维坐标,需手动选择影像和点云中对应的4对点坐标,并运用PnP算法计算外参R和t。最后基于挖掘机属性,计算其OBB包围盒,并检测其与电力线OBB包围盒是否发生碰撞。为验证本文方法的可行性,选取南方某供电局下3个输电线路电塔附近的点云和影像数据进行实验操作。结果表明,本文方法能够基于现有机载激光点云和单目影像数据对室外输电线附近异物进行有效的安全检测,可提升施工现场对安全隐患排查的效率。

地下综合管线三维碰撞检测方法探索

碰撞检测分析对于保证地下管线普查成果质量非常重要,以往的管线普查成果为二维形式,碰撞检测也以简单的二维碰撞检测为主。然而,随着地下管线三维可视化应用场景的增加,传统二维碰撞检测方式已不能满足三维空间中复杂的碰撞检测需求。为解决该问题,本文研究对地下管线进行三维碰撞检测的方法,通过实验分析两种三维碰撞检测方法的综合性能以及各自的优缺点,并与传统二维碰撞检测方式进行对比。最后,总结这两种方法应用于三维场景中管线碰撞检测的可行性。

基于碰撞检测的六自由度工业机器人路径规划研究

工业机器人在自动化生产中发挥着重要作用,但在操作过程中容易发生碰撞,导致损坏或安全隐患。针对这些问题,研究融合轴对齐包围盒和有向包围盒设计出一种混合碰撞检测算法,并以此为基础,将人工势场算法融入快速随机树-连接算法中,设计出一种路径规划优化算法。结果显示,在不同场景中,设计算法的平均检测时间分别为28.3 ms和24.5 ms。此种算法有效缩短了任务完成时间,同时降低了机器人的能耗和运行成本。该算法对工业自动化领域的安全性和效率提升具有重要价值,有助于推动工业智能化的进程。

基于包围盒和二叉树的游戏虚拟场景碰撞检测方法

常规游戏虚拟场景碰撞检测方法由于缺乏对包围盒的简化处理,导致碰撞检测效率较低。对此,提出基于包围盒和二叉树的游戏虚拟场景碰撞检测方法。首先,通过对协方差矩阵进行求解,对包围盒的方向进行判定,在此基础上根据原始虚拟物体的几何边缘构建出轴向包围盒。并采用二叉树原理,对轴向包围盒存储结构进行简化,从而减少待测节点的数量。最后通过计算随机包围盒的中心点距离,对包围盒的相交情况进行判定,从而实现碰撞检测。测试结果表明,采用提出的方法对游戏虚拟场景中的物体进行碰撞检测时,该算法的平均碰撞检测时间始终低于0.8 ms,具有较高的检测效率。

浅析煤棚内斗轮机防碰撞检测方法

针对目前的斗轮机防碰撞检测方法难以适应矿物粉尘多和电磁干扰强等场所,以及设备算力要求和成本较高的问题,本文设计了一种基于格雷母线高精度定位和Unity 3D虚拟仿真平台的煤棚内斗轮机防碰撞检测方法,它通过获取斗轮机大车定位、回转角度定位和俯仰角度定位信息,并将其输入Unity 3D虚拟仿真平台中以检测斗轮机碰撞情况,从而实现碰撞提前预警或采取制动措施,以避免重大生产安全问题。

国内机器人碰撞检测技术文献研究

随着科学技术的发展,机器人在各类生产生活场景中的广泛应用,运行过程中会遇到各种障碍物,存在伤害人、破坏物体、本体损坏等方面的安全隐患。多年来,国内针对机器人安全技术进行了诸多研究,其中碰撞检测是机器人安全技术研究的关键问题。碰撞检测技术可以预测模拟或制止机器人在运动过程中的碰撞,是防止事故发生、及时止损的有效途径之一,对于保证机器人的安全性具有非常重要的现实意义。通过查询万方数据库,以“机器人碰撞检测”为关键词,检索筛查有效文献共有344篇,并从文献的发表时间分布、文献类型分布、文献涉及的研究机构分布、文献涉及的扶持项目、机器人碰撞检测技术路径等多方面进行详细分析,剖析了机器人碰撞检测技术领域的研究现状,预测了未来其技术发展趋势,为后续研究方向和国家制定政策提供参考。

BIM技术在管综碰撞检测中的应用

伴随房屋建筑规模日益增大,其机电工程的管综排布也越来越错综复杂,各类管线排布时常发生碰撞。为避免管线重复建设和资源浪费,本文以福建LIN监控调度中心项目为例,在项目管综设计和管线碰撞检测中运用BIM技术,建立三维模型。运用Revit和MagiCAD软件对项目管线进行检测,优化图纸中不合规的设计,有效解决各专业之间管线排布和碰撞问题,对现场施工起到指导作用,节约施工时间与成本,提高工作效率。

基于机器视觉技术的海上风电叶片吊装碰撞检测系统研究

针对海上风电设备叶片起吊潜在碰撞问题,提出基于计算机视觉的检测方案,包括设计摄像系统与图像处理算法、建立实时监控平台并进行实验验证。研究过程中优化了叶片起吊的碰撞检测算法,结合多源数据融合和即时反馈机制,提高了检测准确性和响应速度。实验结果证明,在复杂的海洋环境下,该系统稳定可靠。

布料与精细建模物体间的碰撞检测算法研究

为解决布料与精细建模物体间碰撞检测速度慢、剔除率低等问题,提出简化模型的有向包围盒(OBB)算法和使用深度神经网络优化的连续碰撞检测(CCD)算法提高碰撞检测效率。在粗略检测阶段,提出一种简化模型的OBB算法,对于精细建模物体使用二次误差度量的表面简化法对精细模型进行简化,将简化后的模型嵌入原模型中,并利用一种快速自适应的OBB算法对简化后的模型构建包围盒。对于布料模型,构建固定球形-轴向混合包围盒和碰撞检测包围盒树。在精确检测阶段,采用全连接深度神经网络学习滤波器剔除在粗略检测阶段未发生碰撞的碰撞对,使用训练后的最优深度神经网络模型优化连续碰撞检测算法。实验结果表明,使用简化程度为90%的模型构建的OBB可以完全替代原模型的OBB,所提简化模型的OBB算法与传统OBB包围盒算法及快速自适应包围盒算法相比,在耗时上分别缩短了约64.6%、35.8%。在布料与精细建模物体交互的场景下,使用深度神经网络优化的CCD算法比使用不同类型滤波器优化的CCD算法速度更快,耗时缩短了约7%~11%。