误碰撞分析处理

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一、误碰撞是什么

碰撞检测是 aubo 协作机器人自带的一项重要的安全功能，它使机械臂在工作过程中能够实时检测外力矩，从而降低碰撞造成的伤害。

误碰撞是指非预期的碰撞停机，比如机械臂运动过程中没有与其他障碍物发生真实的碰撞，却弹窗碰撞报警。

二、误碰撞的原因

碰撞检测原理大致为：根据机械臂的 位置、速度、加速度、关节电流、摩擦力参数、负载、碰撞阈值 等参数，计算关节的外力矩，如果外力矩超过阈值，则会抛出碰撞错误码。

所以，误碰撞的主要原因大致有几类：

  • 真实负载和设置的负载参数不匹配
  • 工装夹具配合公差小，机械臂速度快时确实容易受力碰撞
  • 碰撞阈值偏小
  • 机械臂路点下发不连续

误碰撞总结可在 TR#10197 查看，以下分析也均基于该TR

三、误碰撞的原因排查及处理方案

可从几个方面来分析和处理误碰撞的问题

1. 工艺应用优化

1.1 负载设置正确

负载设置主要包括 质量和质心，详细的操作请参考 用户手册。

举例一个工程内切换负载的实际场景：

机械臂夹爪重量 1KG，待取放的工件重量 2KG。机械臂从 A点取工件，放到 B点。

Payload无工件：1KG Payload有工件：3KG

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在导出的日志文件中，log/.trace/rob1_xxxxxxx.csv 文件里可以看到报错前后的负载参数，和辅助分析： 下载触发碰撞时的CSV，将数据拉到第一个 PS ，确认负载参数设置，参考标准负载参数文档

可以在导出的日志包中的 /log/.trace 中查看

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1.2 尽量避开奇异区域

常见的奇异区域有：

  1. joint5 在 0° 或者 180° 附近
  2. joint3 在 0° 附近
  3. tcp 在 base 的 圆柱体空间 附近

奇异区域附近的 直线运动/圆弧运动 容易引起关节超速而误碰撞，应当降低此处的 线速度和线加速度。

1.3 点位示教尽量减少机械臂受力

比如一个非常常见的夹取工件场景，应当尽量保证夹爪居中夹取

img

如果点位示教没有保证居中，如下，那么当夹爪闭合时，外力就会传递到机械臂本体，也容易引起误碰撞。

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1.4 取放料时降低加速度

取放料点是一个上下料项目中最重要的点位，取放料点处工件和工件定位工装之间的配合精度通常较高，降低取放料点处的加速度，能够有效缓解此处引起的误碰撞问题。

1.5 保证机械臂安装牢固

负载及底座安装松动，会在运动过程中引入不可预测的额外力矩干扰，从而被误判为碰撞。

2. 碰撞阈值优化

碰撞阈值是碰撞检测中一项非常重要的参数，碰撞阈值如果太大，不容易触发碰撞，碰撞不灵敏；碰撞阈值如果太小，则很容易触发误碰撞，无法正常连续工作。

其实碰撞等级（1~10级）在底层是对应到不同的碰撞阈值，比如 等级1 对应的阈值要大于 等级10 对应的阈值。

通常情况下，等级6对应的碰撞阈值是一组比较折中的数值，既要保证连续工作中不会误碰撞，又要保证机械臂的碰撞力不会过大。

如果在实际中，负载设置正确的情况下，碰撞等级6触发误碰撞，请按照以下步骤分析排查和优化

2.1 确认摩擦参数和力矩常数

从CSV确认力矩常数和摩擦参数是否存在为0的情况，若存在，请参照进行处理

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2.2 确认外力矩与碰撞阈值之间的大小关系

碰撞是算法端将外力矩和阈值进行对比进行判断的，如果触发碰撞时，日志显示外力矩的绝对值小于阈值绝对值，需要联系 算法部钟一辰 处理

正常例子：

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错误例子：

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2.3 阈值计算及写入

可以在专家模式里的碰撞阈值一栏确认底座是否有碰撞阈值，或者通过日志里搜索 collision_threshold 关键字查看底座的碰撞阈值。若阈值全为0，说明未做过出厂阈值计算，需要按照计算流程进行阈值优化。大致流程为 空载运行一组特征轨迹，带载运行一组特征轨迹，记录两组数据，计算碰撞阈值。 具体请参考 阈值抓取流程 。

3. 操作系统实时性

在 arcs 系统中，实时性是一个非常重要的指标，具备高实时性，才能实现诸如 力控、动态遥操 等功能。

如果系统的实时性有问题，比如时间周期抖动，就会影响下发到伺服目标路点的连续性，在伺服层收到不连续的目标路点，就很可能导致关节电流的突变，从而引起误碰撞报警。

目前 arcs 在多个方面来提高系统实时性：

  1. 打实时内核补丁
  2. 孤立cpu内核(cpu1)单独给到实时计算任务使用
  3. 将网卡中断绑定到实时内核(cpu1)，提高工控机和接口板之间的通信实时性
  4. 将其他系统中断绑定到其他cpu核心，避免影响实时任务
  5. 将cpu强制为性能模式
  6. 实时任务线程绑定到实时内核(cpu1)，并且提高线程优先级
  7. 提高网卡中断线程和RTLINK RECV线程优先级并均大于50 等等

如何判断系统是否有实时性问题？

答：通过日志中的 cmd not update、RTLink slave period abnormal、TRACE RPDO 丢失警告 等关键字来定位

3.1 确认系统是带有实时核心的系统

可以在导出的日志包中的 /system/X.Org 中查看

如下图，第一个结尾是rtxx，代表带有实时内核的系统。第二个结尾是generic，代表不带有实时内核的系统

如果是X86+非实时系统，可以参考文档 安装系统 对系统进行升级

如果是ARM+非实时系统，请联系 软件部贾存虎 进行处理

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3.2 确认网卡驱动

对于X86的控制柜+REATEK网卡，系统是2204时，网卡驱动需要确认是否为r8168，如果是r8169，需要参考网卡驱动 进行升级。

如果是intel的网卡，驱动为igb，不需要进行升级网卡驱动

可以在导出的日志包中的 /system/dmesg 中查看

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3.3 确认周期问题

查看日志，看触发碰撞前，是否出现 “RTLINK slave period abnormal” 、 “Period delay exceed 20% xxxx > 6000. CycleTime is xxxxs” 和 “joint1 cmd not update“

如有出现以上三种字样，请联系 软件部贾存虎 进行处理

3.4 一些系统指令

  1. 查看隔离核心（cpu1）上面的线程

    ps -eLo pid,tid,cls,rtprio,ni,pri,psr,%cpu,%mem,stat,wchan,command,comm| awk '{if($7==1 && $3=="FF")print $0}'

  2. 查看中断运行所在核心

    watch -n 1 "cat /proc/interrupts"

  3. 查看CPU是否在性能模式

    /sys/devices/system/cpu/cpu*/cpufreq/scaling_governor

  4. grub查看隔离核心核中断亲和性设置

    cat /etc/default/grub

  5. 查看aubo_control上运行的线程

    top -Hp pgrep aubo_control

  6. 系统是否带有实时核心补丁

    uname -a 系统版本后面带有 rt 则代表有实时核心补丁

  7. 查看网卡驱动

    2204系统：dmesg | grep 8168 1604系统：dmesg | grep 8169

  8. 查看CPU信息，是否存在降频问题

    cat /proc/cpuinfo

  9. 查看CPU温度信息

    cat /sys/class/hwmon/hwmon1/temp2_input （temp2是0核，...,temp5是3核）

4. 模型问题

4.1 确认机械臂模型没有出现问题

如果出现类似与下图所示机械臂模型问题，请联系 算法部刘赛男 确认模型和DH误差

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5. 硬件问题

5.1 上电刹车报碰撞

查看日志触发碰撞时是否有大电流，若存在大电流，请联系生产或者工艺排查关节硬件问题

6. 日志分析

  • 出现碰撞后，首先需要对日志和CSV进行初步分析，确认系统和负载等设置没问题
  • 可以对日志进行检索关键词： “发生碰撞！当前碰撞检测阈值为“ 来确认碰撞发生的位置，该条信息 左边对应的时间为诊断文件的时间戳，后续分析的诊断文件也是该诊断文件
  • 通过观察诊断文件中触发碰撞关节的 电流、速度(差分速度)、加速度、路点 等信息，几乎可以确认误碰撞问题所在

分析 csv 的方法（此处假设 joint3 触发碰撞）：

6.1 查看关节最大电流限制

诊断文件中 “ Joints max curr “描述的是关节最大电流限制（ 0.29.5-rc.15、0.31.0-rc.16、0.32.0-alpha.102 及以上版本带有此输出）

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6.2 提取路点、速度、加速度等信息

在诊断文件中新建工作表，将 SafetyMode、q3、qd3、qdd3、current3、voltage3、target_q3、plan_q3 共8列复制到新的工作表中，并冻结 tiltle 窗口(选中title下面的第一行数据，然后在视图--->冻结窗口中点击冻结窗格)

同时需要确保所有数据不为0，若存在q、qd、qdd某个参数的一列全部为0的情况，请联系硬件部滕超 处理

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6.3 数据分析

数据使用范围：SafetyMode的第一个PS上面的NOR

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  1. 确认 target_q 和 plan_q 保持一致

在旁边的表格处输入 target_q - plan_q ，计算 PS 前 300 个周期即可，需要保证全部小于 1E-06，如下图所示

若存在 target_q - plan_q > 1E-06 的数据，则表示 target_q 和 plan_q 没有保持一致，该问题可以说明 下发的点存在重复点

存在该问题请联系 软件部贾存虎 处理

  1. 确认跟踪精度

在旁边的表格处输入 (target_q - q) / PI() * 180 ，计算PS前300个周期即可，需要保证全部小于10，如下图所示

跟踪精度可以说明机械臂对目标点的跟踪能力，当电流没有饱和时，出现了跟踪精度的问题，需要联系 硬件部张世亮 开启速度前馈后测试

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  1. 对 q 和 target_q 做速度差分

由于只看 q和target_q 的曲线不能很清晰的表明是否存在跳点或者重复点，亦或者其他问题，所以需要对 q和target_q 进行差分处理

假设 target_q 在 H 列，在旁边的表格处输入 (target_q - last_target_q) / 0.005 ，若 target_q 是 H20，则 last_target_q 就是 H19。q 作与 target_q 相同的处理，计算 PS 前 300 个周期即可，target_q 差分速度的曲线趋势与 q 差分速度的曲线趋势需要保持相同，如下图所示

若 q 差分速度的曲线趋势与 target_q 差分速度的曲线趋势不同，不光滑或者有突变，则表示有跳点或者重复点，亦或者存在周期问题。首先需要排查是否存在周期问题。若不存在周期问题且 target_q 和 plan_q 保持一致，此类问题需要抓取以太网报文和 CAN 报文去进一步确认关节问题还是上位机问题，抓取报文后联系 软件部贾存虎 处理

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  1. 确认电流、加速度和电压是否稳定

选用 qdd、current、voltage 三列插入曲线，由于是否发生突变需要对比之前周期的电流、加速度和电压，所以至少需要 1500 个周期的数据，如下图所示

在一般情况下，3中的 q 差分出来的速度曲线是光滑无突变，则该曲线也不会产生突变。若电流和加速度存在突变，需要和3得到的曲线一起分析确认是否是周期异常、跳点重复点、亦或者需要抓包文来确认是否是关节问题。

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  1. 确认电流是否饱和

此问题仅在3、4的曲线趋势是正常的情况下确认

将诊断文件中 Joints max curr 和 碰撞前后的电流 进行对比，可以看到电流是否饱和

若电流饱和且曲线趋势正常，则需要降低程序中的加速度和速度跑程序，并联系 软件部贾存虎 确认 aubo_description 中速度和加速度限制是否正确

若电流没有饱和且曲线趋势正常，则表明阈值存在问题， 请参照 阈值抓取流程 处理

7. 固件优化

部分由于操作系统实时性不足引起的路点不连续问题，通过在关节固件层增加插值保护，可在一定程度上得到缓解。

开发测试中...

8. 软伺服功能

从底层对机械臂和工件“硬碰硬”的情况做优化，避免机械臂关节碰撞报警

开发测试中...

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