一种减小磨抛振动的力控制方法及装置

本发明涉及机器人阻抗控制领域，特别是涉及一种减小磨抛振动的力控制方法及装置。

背景技术：

在汽车、航空航天、医疗设备等行业，大多数金属工件是通过焊接、铸造和其他必要的加工过程形成的。最终它们需要抛光打磨以达到验收标准。传统的磨抛形式是手工抛光。然而，在磨抛过程中产生了大量的灰尘、腐蚀性的液体和噪声，这种工作环境对操作人员造成了一定的身体伤害，同时也很容易导致安全事故。

手工抛光也有着生产效率低、产品精度差和一致性差的缺点。这也是磨抛很难离开人工实现自动化的主要技术难点，工件的精度和一致性很大程度上取决于抛光工具和工件的接触面是否保持恒力。因此，在抛光过程中采用实时的力控制技术来控制接触力是十分重要的。

目前，机器人主要的力控制方法有两种：第一种是关节力控制，该方法是通过控制机器人关节的力或扭矩，实现了机械臂在操作空间的力控制，关节力控制的难点在于必须对机器人建立精确的动态模型，另一方面，传统的工业机器人由于大惯性、关节的柔性和传输系统的大量摩擦导致的力控制性能不佳，因此适合重载任务；第二种方法是使用外部力控单元(末端执行器)来实现力控制，通常采用在工业机器人上安装的末端法兰。虽然两种力控制方法的采用使机器人整体结构变得复杂，但它们都在保留了各自的优势。

力控末端执行器具有高带宽和低阻抗的特点，使工业机器人具有较高的灵活性和较大的工作空间。在机器人操作任务中，工业机器人根据传统的位置控制，可以实现机械臂末端位置和姿态的控制，而力控末端执行器实现了力控制。

工业机器人由于大惯量和低刚度的特性，自然频率比较低，大约为十几赫兹。由于非刚性工业机器人在低频率下会开始振动，可能会限制串联末端执行器的力控制性能，工业机器人的任何振动都将被传递到末端接触力，从而影响磨抛精度。

国内外一些学者通过智能材料和智能结构设计末端执行器来实现振动抑制，但这会导致末端执行器的设计复杂。还有一些学者通过修改工业机器人的控制架构来减小机械臂的振动，但是商用工业机器人的控制器通常是封装好的，使用者很难进行修改。

公开号为cn110861097a的说明书公开了一种减小机械臂振动的力控末端执行机构及其力控方法。所述力控末端执行机构包括与工业机器人连接的末端执行器，该末端执行器包括音圈电机、位移传感器及第一、第二传感器等；该音圈电机的动子、定子分别与滑块、直线导轨固定连接；该滑块与直线导轨滑动配合；该位移传感器用于检测动子与定子的相对位移；该力传感器用于测量末端执行器与工件表面接触力的大小；该第一传感器用于检测在工作时所述末端执行器与工件接触产生的加速度；该第二传感器用于检测在工作时所述工业机器人末端受到末端执行器反作用力而产生的加速度。该发明对工业机器人系统的动力学的精确度依赖较大，故所需传感器数量较多，可能导致力控末端执行机构的运行可靠性不高。

公开号为cn112108998a的说明书公开了一种带有主动阻尼的机器人力控抛磨末端执行器，包括旋转运动组件、恒力调整组件、运动解耦组件与抛磨盘组件；旋转运动组件通过花键轴将旋转动力传递给滚珠花键；恒力调整组件将轴向力传递给滚珠花键，实现花键轴可轴向移动的同时与电机同步旋转，从而实现旋转运动与轴向移动的解耦，同时实时监测抛磨盘组件的受力情况；并且，恒力调整组件通过气缸提供阻尼，有效限制因抛磨过程末端执行器改变抛磨位置或者其他外部条件引起的抛磨盘振动；抛磨盘组件与滚珠花键连接，实现与滚珠花键同步旋转与同步伸缩运动。该发明主要采用主动阻尼的方式减少磨抛振动，针对机械臂在力控过程中低频产生振动则无法有效解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种减小磨抛振动的力控制方法及装置，采用阻抗匹配的方法，使工业机器人和末端执行器解耦，从而达到振动抑制，满足利用工业机器人和末端执行器进行各类机械加工的实际需求。

一种减小磨抛振动的力控制方法，包括以下步骤：

(1)末端执行器与工件接触时，采集力信号和加速度信号，建立末端执行器的动态关系；

(2)基于动力学模型以及步骤(1)得到的动态关系，通过最小二乘法得到工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息；

(3)依据所述工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息设计阻抗匹配控制器；

(4)将位移信号以及其一次微分信号输入到所述阻抗匹配控制器进行运算；

(5)将所述阻抗匹配控制器作用于末端执行器的力控制流程中，利用所述阻抗匹配控制器对工业机器人和末端执行器的输出力进行补偿。

所述步骤(2)中，建立由工业机器人与末端执行器构成的整体系统的动力学模型的具体步骤如下：

(2-1)所述动力学模型为工业机器人的动力学方程(a)、末端执行器的动力学方程(b)和环境的动力学方程(c)，具体如下：

其中,m是工业机器人的惯量，b是工业机器人的阻尼，k是工业机器人的刚度，x1是工业机器人末端的位移，x2是末端执行器的位移，是工业机器人末端的速度，是末端执行器的速度，是工业机器人末端的加速度,是末端执行器的加速度，bc是末端执行器的阻尼，f是工业机器人与末端执行器之间的相互作用力，kc是末端执行器的刚度，ks是环境刚度，bs是环境阻尼，xe是末端执行器末端与环境接触点的位移量，mm是末端执行器的惯量，为环境位置变化率；

(2-2)假设末端执行器末端与环境接触点的位移量xe不发生改变，方程(c)则为：

计算得到宏机械臂和微机械臂串联耦合阻抗的关系,采用以下公式(e)表示：

使则方程(e)为：

(2-3)运用双线性变换，方程(f)表示为差分方程形式：

f'(n)+f'(n-1)＝a1(n)δx(n)+a2(n)δx(n-1)(g)

其中,

δx＝x2-x1(h)

a1(n)和a2(n)是待估计参数，t是采样周期，n为采样点的个数；

进一步的，方程(j)表示为递推形式：

y[n]＝h^t[n]θ[n](k)

其中，θ为待估计参数矢量且θ[n]＝[a1(n),a2(n)]^t，h为递归输入矢量且h[n]＝[δx(n),δx(n-1)]^t，y为递归输出矢量且y[n]＝f'(n)+f'(n-1)；

根据最小二乘算法，得到工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息，所述阻抗信息包括末端执行器的阻尼估计值和刚度估计值

所述步骤(3)中，依据所述工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息设计阻抗匹配控制器的具体过程如下：

将辨识得到的耦合阻抗参数估计值和作为阻抗匹配控制器的参数，得到阻抗匹配控制率为式(y)所示：

所述步骤(4)中，位移信号的一次微分信号为速度信号，阻抗匹配控制率的输入为宏机械臂与微机械臂的相对位移和相对速度。

本发明还提供一种上述减小磨抛振动的力控制方法所采用的装置，包括：

直线电机，用于输入阻抗匹配控制器输出的补偿量与力控制器输出的控制量之和，输出进行补偿的力；

位移传感器，用于检测所述动子与定子的相对位移；

力传感器，用于测量所述末端执行器与工件表面接触力的大小；

加速度传感器，用于检测在工作时所述末端执行器与工件接触产生的加速度信号；

拉伸弹簧，用于平衡重力，提高末端执行器刚度和力控制响应。

所述直线电机包括定子和动子，所述定子和动子的端面分别固定有定平台和动平台，所述定子通过定平台与工业机器人的末端执行器连接法兰相固定，所述动平台上连接有力传感器，所述磨抛工具和主轴通过夹具固定于所述力传感器上，所述动平台上还连接有加速度传感器。

所述的定平台和动平台的一侧通过直线滑动连接，直线滑动连接保证了定平台和动平台只能沿竖直方向相对运动；所述定平台和动平台的另一侧通过拉伸弹簧连接。

优选地，所述定平台通过直线导轨固定板与直线导轨固定连接，所述动平台通过滑块固定板与滑块固定连接，所述直线导轨和滑块相互配合。

优选地，所述拉伸弹簧通过吊耳螺钉分别与定平台和动平台固定连接。

进一步优选地，所述直线导轨固定板上方还固定有限位机构，限位机构用于限制滑块相对于直线导轨的位置。

进一步优选地，所述位移传感器采用光栅位移传感器和光栅尺的组合，所述光栅位移传感器固定于传感器支架上，传感器支架固定在直线导轨固定板的侧面，光栅尺设于滑块固定板的侧面，使光栅位移传感器的读头正对光栅尺。

较之现有技术，本发明提供的力控末端执行器可以有效解决现有机械臂在力控过程中低频产生振动，末端执行器与环境的接触力无法达到稳定控制的问题。同时本发明提供的力控制方法根据末端执行器的动力学模型，以最小二乘法对宏机械臂与微机械臂的串联耦合阻抗参数信息进行辨识，无需知道工业机器人的精确动力学，利用阻抗匹配方法补偿因工业机器人刚度低而产生振动所引起的力不稳定输出现象，可以很好的满足利用工业机器人和末端执行器进行各类机械加工的实际需求。

附图说明

图1为本发明实施例中减小磨抛振动的力控制方法的流程图；

图2为图1所示工业机器人与末端执行器的整体质量块模型图；

图3为图1所示末端执行器的控制框图；

图4为图1所示工业机器人与其末端执行器的整体结构示意图；

图5为图4所示末端执行器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，减小磨抛振动的力控制方法，包括以下步骤：

(1)末端执行器3与工件接触时，采集力信号和加速度信号，建立末端执行器3的动态关系；

(2)基于动力学模型以及步骤(1)得到的动态关系，通过最小二乘法得到工业机器人1与末端执行器3串联耦合部分的阻抗信息；

(3)依据所述工业机器人1与末端执行器3串联耦合部分的阻抗信息设计阻抗匹配控制器；

(4)将位移信号以及其一次微分信号输入到所述阻抗匹配控制器进行运算；

(5)将所述阻抗匹配控制器作用于末端执行器3的力控制流程中，利用所述阻抗匹配控制器对工业机器人1和末端执行器3的输出力进行补偿。

如图4和图5所示，上述减小磨抛振动的力控制方法所采用的装置，包括：

直线电机，用于输入阻抗匹配控制器输出的补偿量与力控制器输出的控制量之和，输出进行补偿的力；

位移传感器，用于检测所述动子与定子的相对位移；

力传感器15，用于测量所述末端执行器3与工件表面接触力的大小；

加速度传感器14，用于检测在工作时所述末端执行器3与工件接触产生的加速度信号；

拉伸弹簧19，用于平衡重力，提高末端执行器3刚度和力控制响应。

直线电机采用音圈电机，包括定子12和动子18，定子12和动子18的端面分别固定有定平台13和动平台16。定子12通过定平台13与工业机器人1的末端执行器连接法兰2相固定，动平台16上连接有力传感器15，磨抛工具20和主轴21通过夹具22固定于力传感器15上，动平台16上还连接有加速度传感器14。

定平台13和动平台16的一侧通过直线滑动连接，定平台13通过直线导轨固定板9与直线导轨5固定连接，动平台16通过滑块固定板7与滑块6固定连接，直线导轨5和滑块6相互配合。

定平台13和动平台16的另一侧固定有连接两根拉伸弹簧连接19的吊耳螺钉17。

直线导轨固定板9上方还固定有用于限制滑块6相对于直线导轨5的位置的限位机构。

位移传感器采用光栅位移传感器11和光栅尺8的组合，光栅位移传感器11固定于传感器支架10上，传感器支架10固定在直线导轨固定板9的侧面，光栅尺8固定于滑块固定板7的侧面，使光栅位移传感器11的读头正对光栅尺8。

进行步骤(1)，根据力传感器15接收的接触力信号和加速度传感器14的响应信号得到末端执行器3的动态关系，该动态关系可以表示为：

其中，fc是末端接触力，f是工业机器人1与末端执行器3之间的相互作用力，mm是末端执行器3的惯量，bc是宏机械臂和微机械臂之间的耦合阻尼，kc是宏机械臂和微机械臂之间的耦合刚度。

进行步骤(2)，基于动力学模型以及(1)得到的动态关系，得到工业机器人1与末端执行器3串联耦合部分的阻抗信息。

如图2所示，动力学模型表示为下式(a)、(b)和(c)所示的工业机器人1的动力学方程、末端执行器3的动力学方程和环境的动力学方程，具体如下：

其中,m是工业机器人1的惯量，b是工业机器人1的阻尼，k是工业机器人1的刚度，x1是工业机器人1末端的位移，x2是末端执行器3的位移，是工业机器人1末端的速度，是末端执行器3的速度，是工业机器人1末端的加速度,是末端执行器3的加速度，bc是末端执行器3的阻尼，f是工业机器人1与末端执行器3之间的相互作用力，kc是末端执行器3的刚度，ks是环境刚度，bs是环境阻尼，xe是末端执行器3末端与环境接触点的位移量，mm是末端执行器3的惯量，为环境位置变化率；

假设末端执行器3末端与环境接触点的位移量xe不发生改变，方程(c)则为：

进而获得宏机械臂和微机械臂串联耦合阻抗的关系：

使则方程(e)为：

运用双线性变换，方程(f)表示为差分方程形式：

f'(n)+f'(n-1)＝a1(n)δx(n)+a2(n)δx(n-1)(g)

其中,

δx＝x2-x1(h)

a1(n)和a2(n)是待估计参数，t是采样周期，n代表采样点的个数；

进一步的，方程(j)表示为递推形式：

y[n]＝h^t[n]θ[n](k)

其中，θ为待估计参数矢量且θ[n]＝[a1(n),a2(n)]^t，h为递归输入矢量且h[n]＝[δx(n),δx(n-1)]^t，y为递归输出矢量且y[n]＝f'(n)+f'(n-1)；

根据最小二乘算法，得到工业机器人1与末端执行器3串联耦合部分的阻抗信息，阻抗信息包括末端执行器3的阻尼估计值和刚度估计值

进行步骤(3)，依据所述工业机器人1与末端执行器3串联耦合部分的阻抗信息设计阻抗匹配控制器，其具体过程如下：

将方程(a)、(b)、(d)经过拉普拉斯变换后得到：

(ms²+bs+k)x1(s)＝f(s)+(bcs+kc)[x2(s)-x1(s)](n)

f(s)+mms²x2(s)+(bcs+kc)[x2(s)-x1(s)]＝fc(s)(o)

fc(s)＝-(bss+ks)x2(s)(p)

通常，机械阻抗可以用力和位移的比值来表示：

因此，工业机器人1和末端执行器3的机械阻抗和机械导纳表示为，其中机械导纳为机械阻抗的倒数：

zc＝bcs+kc(r)

zs＝bss+ks(s)

zm＝mms²(t)

其中,y1是宏机械臂的机械导纳，y2是微机械臂的机械导纳，zc是宏机械臂和微机械臂之间的耦合阻抗，zs是环境的阻抗，zm是微机械臂的惯量。

如图3所示，宏机械臂和微机械臂的控制框图，由此得到期望力和末端接触力的传递函数：

其中,h(s)是力控制器，当设计的阻抗匹配控制器满足z(s)＝-zc(s)时，传递函数(v)变为：

末端接触力因此不会受到宏机械臂的影响，宏机械臂的低频振动不会通过耦合阻抗传递到末端接触力。

根据步骤(2)得到的耦合阻抗参数估计值设计阻抗匹配控制器：

进行步骤(4)，将位移传感器接收到的位移信号输入到阻抗匹配控制器，经阻抗匹配控制器处理后，输出所需的补偿力，其具体过程如下：

根据步骤(3)设计的阻抗匹配控制器，它的输入为宏机械臂与微机械臂的相对位移和相对速度，该位移信号可以由位移传感器直接实时获取，即：(x2-x1)，为得到速度信号，需要对位移信号进行一次微分得到：

进行步骤(5)，将从阻抗匹配控制器出来的补偿量与从力控制器出来的控制量相加作为音圈电机的输入，其具体过程如下：

如图3所示，由力控制器h(s)得到的控制信号是模拟量电压信号，而阻抗匹配控制器得到的补偿信号是力信号，为将两部分信号转换成统一的控制量量纲，因此需要对补偿力信号转化成模拟量电压信号。