一种机械臂混杂控制方法、装置及系统与流程

本发明涉及混杂控制技术领域，尤其涉及一种机械臂混杂控制方法、机械臂混杂控制装置及包括该机械臂混杂控制装置的机械臂混杂控制系统。

背景技术：

机械臂是一种在工业生产中代替人工完成某些单调、频繁和重复的长时间作业的自动化装置，按照设定的程序、轨迹和要求执行监控、抓取、搬运工作或操持工具进行操作。机械臂的控制方法一般由pid(proportional-integral-derivativecontrol，比例积分微分控制)控制、模糊控制、自适应控制以及神经网络控制几种，其中模糊控制和神经网络控制的计算量较大，对控制器的硬件要求较高，这给工业机械臂的成本带来了较大的负担；而自适应控制算法对模型的辨识精确度有较高的要求，受外部干扰影响较大，控制效果不尽如人意。在机械臂的工作场景中，尤其是在通过机械臂对一些加工工件进行开模过程中，机械臂接触工作环境一般会受到较大冲击力，这有可能导致机械手臂震颤，减少使用寿命，也有可能使得机械臂不能稳定运行，传统的单一pid控制并不能有效的完成控制任务。

技术实现要素：

本发明提供了一种机械臂混杂控制方法、机械臂混杂控制装置及包括该机械臂混杂控制装置的机械臂混杂控制系统，解决相关技术中存在的机械臂不能稳定运行的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种机械臂混杂控制方法，其中，包括：

获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；

判断所述接触力是否大于切换阈值；

若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；

若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。

进一步地，所述获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力，包括：

建立接触力模型；

获取机械臂的执行端的形变量；

将所述形变量代入所述接触力模型计算所述接触力。

进一步地，所述接触力模型为：

其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，kc表示刚性系数，bc表示阻尼系数。

进一步地，所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制，包括：

在所述接触力大于或者等于预设最大接触力时，所述力控制器用于降低所述机械臂的执行端的力；

在所述接触力小于所述预设最大接触力时，所述力控制器用于保持当前的所述机械臂的执行端的力不变。

进一步地，所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制，包括：

所述位置控制器用于控制所述机械臂的执行端朝向所述待加工工件移动。

作为本发明的另一个方面，提供一种机械臂混杂控制装置，其中，包括：

获取模块，用于获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；

判断模块，用于判断所述接触力是否大于切换阈值；

第一控制信号输出模块，用于若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；

第二控制信号输出模块，用于若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。

作为本发明的另一个方面，提供一种机械臂混杂控制系统，其中，包括：球面坐标机器人、驱动机构、力控制器、位置控制器和前文所述的机械臂混杂控制装置，所述力控制器和所述位置控制器均与所述机械臂混杂控制装置通信连接，所述力控制器和所述位置控制器均通过驱动机构与所述球面坐标机器人连接。

进一步地，所述球面坐标机器人包括支撑底座和设置在所述支撑底座上的机械臂，所述机械臂能够做垂直平面的摆动或者在水平面内移动。

进一步地，所述驱动机构包括力驱动机构和位置驱动机构，所述力驱动机构能够在所述力控制器的控制下驱动所述机械臂做垂直平面的摆动，所述位置驱动机构能够在所述位置控制器的控制下驱动所述机械臂在水平面内移动。

进一步地，所述力驱动机构和所述位置驱动机构均包括驱动电机。

通过上述机械臂混杂控制方法，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制方法能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制方法能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的机械臂混杂控制方法的流程图。

图2为本发明提供的球面坐标系机械臂的结构示意图。

图3为本发明提供的工作空间坐标系下机械臂简图。

图4为本发明提供的力控制器与位置控制器切换控制示意图。

图5为本发明提供的控制参数下的机械臂运动相轨迹图。

图6为本发明提供的机械臂应对不同高斯噪声下的相轨迹图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种机械臂混杂控制方法，图1是根据本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法的流程图，如图1所示，包括：

s110、获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；

s120、判断所述接触力是否大于切换阈值；

s130、若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；

s140、若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。

通过上述机械臂混杂控制方法，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制方法能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制方法能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。

应当理解的是，所述切换阈值的单位与接触力的单位相同，即通过判断接触力的大小决定对机械臂的控制方式。

还应当理解的是，该切换阈值通常为0，在接触力等于0，即不存在接触力时，说明机械臂还未与待加工工件接触，还处于向待加工工件的移动过程中，此时需要保持对机械臂的位置控制，即控制机械臂朝向待加工工件进行移动。当接触力大于0时，说明机械臂与待加工工件接触，并对所述待加工工件有作用力，从而产生机械臂与待加工工件的接触力，因此，该过程需要对机械臂进行力的控制，以防止机械臂的力过大等导致加工过程的不稳定。

图2所示，为一个球面坐标机械臂的工作示意图。机械臂能够做里外伸缩移动，在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内移动，因为这种形式的机器人的工作空间形成球面的一部分，故称为球面坐标机器人。这类机器人的特点是：占地面积小，结构紧凑，位置精度还可以，但是避障性能较差，存在平衡问题，更需要避免机械臂的震颤。因此，上述机械臂混杂控制方法适用于该球面坐标机器人，从而可以消除机械臂的震颤。

具体地，所述获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力，包括：

建立接触力模型；

获取机械臂的执行端的形变量；

将所述形变量代入所述接触力模型计算所述接触力。

进一步具体地，所述接触力模型为：

其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，kc表示刚性系数，bc表示阻尼系数。

本发明实施例，通过伸缩手臂与工作环境的作用，考虑整个球面坐标机器人在水平面内的伸缩运动。

需要说明的是，此处所述工作环境具体指的是待加工工件的表面，即机械臂接触到所述待加工工件的表面，则为所述机械臂接触到工作环境，若所述机械臂未接触到待加工工件的表面，则为所述机械臂未接触到工作环境。

为了方便获取机械臂的接触力，首先建立机械臂10的数学模型。

机械臂10的伸长缩短运动满足牛顿第二定律：ma＝f。

其中，m是机械臂10的质量，f是对机械臂10的输入合力，a是机械臂10运动的加速度。以机械臂10伸缩方向作为x轴，以伸长方向为正方向，并以工作环境表面一点作为原点建立坐标，如图3所示。记机械臂10的端点坐标x。显然当x<0时，表示机械臂10未碰到工作环境；当x＝0，表示刚好接触工作环境。fc是机械臂10的执行端与工作环境的接触力，本发明实施例采用接触力模型，可以省去传感器的成本。接触力模型如下：

其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，kc表示刚性系数，bc表示阻尼系数。

进一步，记z1为机械臂10的执行端的位置，z2为其速度，得到：

其中，

具体地，所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制，包括：

在所述接触力大于或者等于预设最大接触力时，所述力控制器用于降低所述机械臂的执行端的力；

在所述接触力小于所述预设最大接触力时，所述力控制器用于保持当前的所述机械臂的执行端的力不变。

具体地，所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制，包括：

所述位置控制器用于控制所述机械臂的执行端朝向所述待加工工件移动。

需要说明是，根据上述力控制器和位置控制器的功能描述，可以设计力控制器和位置控制器的控制逻辑。

具体地，对于力控制器，采用比例前馈控制器，力控制器输出：

其中，表示设定的目标接触力，且表示允许的最大接触力，表示待设计的力控制器的控制参数。

对于位置控制器，采用pd控制器，位置控制器输出：

其中，z＝[z1z2]^t，表示设定的目标位置，kp>0和kd>0表示待设计的位置控制器的控制参数。

根据上述设计，结合图4所示，用q标记控制器，其中q＝0表示位置控制器，q＝1表示力控制器，具体地：

只有当q＝0且fc≥γ2，逻辑变量q才由0变成1；

只有当q＝1且fc≤γ1，逻辑变量q才由1变成0；

其他情况q保持不变。

则控制器输出可以标记为：

根据和建立闭环系统混杂模型：

其中，流集并且：

跃集并且：

令考虑力控制器控制下的李雅普洛夫函数：

其中，表示选定的正定对角阵，设计如下几个参数：

作为一种具体地实施方式，球面坐标机械臂10臂的质量m＝1kg，机械臂工作环境的刚性系数kc＝10n/mm，阻尼系数bc＝0.3ns/mm。在本实施例中，选取期望的接触力得到构造pf矩阵，其中a＝2，b＝0.01，c＝0.06，根据上述计算得到本实施例选取γ1＝0.61n，γ2＝1.98n，kp＝2，kd＝0.5。

如图5所示，机械臂10后面阶段以恒力5稳定到0.5处，并且没有发生震颤。图6描述了在接触力fc存在噪声时的相轨迹图，添加的高斯噪声的方差分别是0.1、0.5、0.8，机械臂仍然可以稳定运行。

综上，本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法，与现有技术相比，具有以下优点：(1)对机械臂会突然受到较大冲击力，甚至不稳定的情况，本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法可以有效的解决稳定问题；(2)本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法有别于一般的按照位置切换，提高了系统的鲁棒性，能够应对测量噪声。

作为本发明的另一实施例，提供一种机械臂混杂控制装置，其中，包括：

获取模块，用于获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；

判断模块，用于判断所述接触力是否大于或者等于切换阈值；

第一控制信号输出模块，用于若所述接触力大于或者等于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；

第二控制信号输出模块，用于若所述接触力小于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。

通过上述机械臂混杂控制装置，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制装置能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制装置能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。

关于本发明实施例提供的机械臂混杂控制装置的工作原理可以参照前文的机械臂混杂控制方法的描述，此处不再赘述。

作为本发明的另一实施例，提供一种机械臂混杂控制系统，其中，包括：球面坐标机器人、驱动机构、力控制器、位置控制器和前文所述的机械臂混杂控制装置，所述力控制器和所述位置控制器均与所述机械臂混杂控制装置通信连接，所述力控制器和所述位置控制器均通过驱动机构与所述球面坐标机器人连接。

本发明实施例提供的机械臂混杂控制系统，通过采用前文的机械臂混杂控制装置，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制系统能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制系统能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。

具体地，如图2所示，所述球面坐标机器人包括支撑底座20和设置在所述支撑底座20上的机械臂10，所述机械臂10能够做垂直平面的摆动或者在水平面内移动。

关于球面坐标机器人的工作过程描述可以参照前文的描述，此处不再赘述。

具体地，所述驱动机构包括力驱动机构和位置驱动机构，所述力驱动机构能够在所述力控制器的控制下驱动所述机械臂做垂直平面的摆动，所述位置驱动机构能够在所述位置控制器的控制下驱动所述机械臂在水平面内移动。

优选地，所述力驱动机构和所述位置驱动机构均包括驱动电机。

应当理解的是，通过驱动电机驱动机械臂的工作可以实现机械臂的移动或摆动，以实现对待加工工件的操作。

还应当理解的是，还可以通过其他驱动方式对机械臂进行驱动，具体为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。