Fast Contact Detection Via Fusion of Joint and Inertial Sensors for Parallel Robots in Human-Robot Collaboration

机器人 接头(建筑物) 融合 传感器融合 计算机科学 惯性参考系 惯性测量装置 人工智能 人机交互 工程类 物理 结构工程 语言学 量子力学 哲学
作者
Aran Mohammad,Jan Piosik,Dustin Lehmann,Thomas Seel,Moritz Schappler
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (7): 7547-7554 被引量:1
标识
DOI:10.1109/lra.2025.3575326
摘要

Fast contact detection is crucial for safe human-robot collaboration. Observers based on proprioceptive information can be used for contact detection but have first-order error dynamics, which results in delays. Sensor fusion based on inertial measurement units (IMUs) consisting of accelerometers and gyroscopes is advantageous for reducing delays. The acceleration estimation enables the direct calculation of external forces. For serial robots, the installation of multiple accelerometers and gyroscopes is required for dynamics modeling since the joint coordinates are the minimal coordinates. Alternatively, parallel robots (PRs) offer the potential to use only one IMU on the end-effector platform, which already presents the minimal coordinates of the PR. This work introduces a sensor-fusion method for contact detection using encoders and only one low-cost, consumer-grade IMU for a PR. The end-effector accelerations are estimated by an extended Kalman filter and incorporated into the dynamics to calculate external forces. In real-world experiments with a planar PR, we demonstrate that this approach reduces the detection duration by up to 50% compared to a momentum observer and enables collision and clamping detection within 3–39 ms.

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