CN110861097A - 减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明可以有效解决机械臂在力控过程中低频阻抗大，末端执行器与环境接触力无法达到稳定控制的问题。

Description

减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，特别是一种减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法，属于机器人阻抗控制领域。

背景技术

随着工业技术的发展，人们对产品的质量要求越来越高，经常通过磨抛手段改善工件表面性质，具有消除工件表面缺陷、改善表面粗糙度，提高工件外形尺寸精度，延长工件使用寿命以及增强工件效能等作用。由于工业加工中的磨抛面通常具有不规则的曲率分布，难于对其进行自动化磨抛作业，使得目前叶片类零件的表面磨抛加工仍以人工操作为主。然而磨抛工艺对工人的技术要求高、劳动强度大、效率低，不仅严重依赖于工人的技能，而且产品质量及一致性均无法保证。研发具有精确力控功能的机器人系统，实现大型零部件表面精密加工已成为主要发展趋势。

由于机器人经常受到不同干扰，在机械加工过程中，越来越多的场合不仅只要求机器人位置控制，还要求要有效地控制力的输出，要求机器人具有良好的力跟踪和抗干扰能力。在机器人轨迹规划时，往往于机器人及其环境模型误差或参数不确定导致机器人与环境间产之非常大的接触力，特别是当机器人及工作环境的刚度都较大时，因此，传统的基于位置控制的机器人控制系统已不能满足机器人与环境间接触作业的要求。接触力实时反馈和力控制技术已成为机器人在非结构化环境中实施接触作业不可或缺的部分，即使在己知的环境中，接触力实时反馈与力控制可明显提高机器人系统的智能化程度和鲁棒性。此外，当机器人工作在有人场合时，为保护人员安全，机器人控制系统必须具备力实时反馈和力控制功能。在机器人系统中实现力和位置同时控制称为机器人力/位置控制。机器人与环境间作用的力位置控制方法可分为两类：一类是采用吸收或储存能量的机械器件如弹簧、阻尼器等构成的机构实现被动的力/位置控制，另一类是基于机器人阻抗控制或机器人力/位置混合控制的主动力位置控制。其中，机器人阻抗控制和机器人力位置混合控制是目前机器人力/位置控制研究重点。

传统的机器人通常使用传动系统，如齿轮或滑轮，以增加有效载荷能力，提高稳定性；然而，传动系统也放大了系统阻抗，引入了很大的摩擦力，当阻抗较大时，可能会产生较大的作用力。另外，通过重新构建机器人关节结构可以提高力控制性能，但是这种方法成本较高，并不适于工业机器人。由于非刚性机械臂即使在低频下也可能开始振动，这会限制末端执行器的力控制性能。尽管已经报道证明，改变机械臂的动力学以提高力控制性能是可行的，但是由于闭合控制结构，不能轻易的实现。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法，从而克服现有技术的不足。

为了达到前述发明目的，本发明采用了以下方案：

本发明实施例提供了一种减小机械臂振动的力控末端执行机构，包括与工业机器人连接的末端执行器，其中所述末端执行器包括：

音圈电机，包括相互配合的动子和定子，所述动子和定子中的任一者与滑块固定连接，另一者与直线导轨固定连接，所述滑块与直线导轨滑动配合；

位移传感器，至少用于检测所述动子与定子的相对位移；

力传感器，至少用于测量所述末端执行器与工件表面接触力的大小；

第一传感器，至少用于检测在工作时所述末端执行器与工件接触产生的位移信号、速度信号或加速度信号；以及

第二传感器，至少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位移信号、速度信号或加速度信号。

在一些实施方式中，所述音圈电机的定子、动子分别与第二底座、第一底座固定连接，所述直线导轨固定板与所述第二底座、第一底座分别与直线导轨、滑块固定连接，所述力传感器及第一传感器均安装在第一底座上，所述第二传感器安装在第二底座上，并且所述第二底座与工业机器人末端固定连接。

在一些实施方式中，所述第二底座通过直线导轨固定板与直线导轨固定连接，所述第一底座通过滑块固定板与滑块固定连接。

在一些实施方式中，所述直线导轨固定板还与限位机构固定连接，所述限位机构用于限制滑块相对于直线导轨的位置。

在一些实施方式中，所述第一传感器、第二传感器包括位移传感器、速度传感器或加速度传感器。

在一些实施方式中，所述位移传感器包括光栅位移传感器。

本发明实施例还提供了一种减小机械臂振动的力控方法，它是基于前述的任一种力控末端执行机构实施的，并且所述力控方法包括：

1)根据力传感器接收的接触力信号和第一传感器的响应信号得到工业机器人与末端执行器的整体阻抗信息；

2)参照步骤1)，根据末端执行器对工业机器人末端的反作用力信号和第二传感器的响应信号得到工业机器人的阻抗信息；

3)基于动力学模型以及步骤1)、步骤2)得到的阻抗信息，得到工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息；

4)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补偿器；

5)将第一传感器和第二传感器采集的数据输入阻抗补偿器，经所述阻抗补偿器处理后，输出所需的补偿力。

在一些实施方式中，步骤1)具体包括：

依据下式获得力传感器接收的末端执行器与环境的接触力信号和第一传感器的响应信号的频响函数H(ω)，即：

其中ω为圆频率，S_xx(ω)为输入的自功率谱，S_fx(ω)为输入和输出的互功率谱，所述输入为平稳随机激振力，所述输出为随机振动响应，并且：

其中，响应x(t)为所述整体系统在任意时间函数的激振力f(t)作用下于时域中的响应，x(t)·x(t+τ)为在平稳随机激振下对应于时刻t、(t+τ)的平稳随机响应的样本函数取值；

之后通过曲线拟合提取传递函数在频域中的信息，获得由工业机器人与末端执行器构成的整体系统的阻抗参数Z，Z包括

分别是以加速度阻抗形式表示的工业机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼和刚度。

在一些实施方式中，步骤2)中所述工业机器人的阻抗信息包括Z_M、Z_B、Z_K，Z_M、Z_B、Z_K分别是以加速度阻抗形式表示的工业机器人的惯量、阻尼、刚度。

在一些实施方式中，步骤3)具体包括：

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，所述动力学模型表示为下式(1)、(2)、(3)所示的工业机器人的动力学方程、末端执行器的动力学方程、工业机器人与末端执行器的整体的动力学方程，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是工业机器人与末端执行器整体的位移，

是工业机器人末端的加速度；

是工业机器人与末端执行器整体的加速度，B_m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，K_m是末端执行器的刚度，K_s是环境刚度，B_s是环境阻尼，x_e是末端执行器末端与环境接触点的位移量，M_m是末端执行器的惯量，

为环境位置变化率，M_总、B_总、K_总分别是工业机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼、刚度，以及，设置环境的动力学方程为

将式(1)、(2)、(3)所示动力学方程中的相应参数转换为阻抗，获得下式(7)、(8)、(9)，即：

进而获得工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗，包括Z_m、Z_k、Z_b，相应表达式如下：

在一些实施方式中，步骤5)具体包括：将加速度传感器、加速度传感器采集的信号输入阻抗补偿器，经阻抗补偿器处理后，输出补偿力，相应的计算方程式如下：

其中，所述阻抗补偿器包含Z_m、Z_k、Z_b。

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阻抗大，末端执行器与环境接触力无法达到稳定控制的问题，同时本发明提供的力控方法根据工业机器人与末端执行器的动力学模型，以随机过程方法对工业机器人系统的阻抗参数信息进行辨识，利用阻抗控制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进行各类机械加工的实际需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一典型实施例中一种工业机器人与其末端执行器的整体结构示意图；

图2是本发明一典型实施例中一种末端执行器的结构示意图；

图3是本发明一典型实施例中一种工业机器人与其末端执行器的整体质量块模型图；

图4是本发明一典型实施例中一种末端执行器的控制框图

图5是本发明一典型实施例中一种减小振动的力控方法流程图；

附图标记说明：限位块1、直线导轨固定板2、传感器固定支架3、光栅位移传感器4、脚架5、下底座6、上底座7、导轨8、加速度传感器一9、音圈电机动子10、音圈电机定子11、加速度传感器二12、滑块13、滑块固定板14、力传感器15。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

请参阅图1示出了本发明一典型实施例中的一种力控末端执行机构，其包括通过工业机器人连接板与工业机器人(如下亦简称机器人或机械臂)连接的末端执行器(如下亦简称执行器)。同时，该力控末端执行机构还可包括多种传感器，例如力传感器以及加速度传感器、位移传感器、速度传感器中的一种或多种。其中，力传感器装可以设置在末端执行器的末端，用于测量末端执行器与环境(例如工件)的接触力，并且还可在工业机器人的末端、末端执行器的末端分别安装一加速度传感器(或者位移传感器、速度传感器等)。所述工业机器人可以是本领域熟知的各种合适类型，例如可以采用工业机器人UR-10。

请参阅图2所示，在本发明的一个典型实施例中，一种末端执行器包括音圈电机动子10、音圈电机定子11、上底座7(即前述第一底座)、下底座6(即前述第二底座)、导轨固定板2、滑块固定板14、限位块1、传感器固定支架3、加速度传感器一9(即前述第一传感器)、加速度传感器二12(即前述第二传感器)、力传感器15、光栅位移传感器4等元件。其中，音圈电机定子11与下底座6相连，音圈电机动子10与上底座7端面相连。直线导轨固定板2与下底座6以脚架5相连，滑块固定板14与上底座7亦可以脚架5相连。限位块1与导轨固定板2通过螺钉相连接，用于限制滑块13相对于导轨8的位置。直线导轨固定板2侧边安装传感器支架3，其内侧与滑块固定板14之间留有两毫米的间隙，位移传感器4固定在支架3上，光栅尺贴在滑块固定板14的侧面，使位移传感器4的读头正对光栅尺。力传感器15安装在上底座7，用于测量末端执行器与工件表面接触力的大小。加速度传感器一9安装在上底座7，用于检测机器人在磨抛时末端执行器与工件接触产生的加速度；末端执行器下底座6是通过螺栓与工业机器人连接板连接；而工业机器人连接板与机器人末端法兰通过螺钉连接，圆柱销定位。加速度传感器二12安装在下底座6，用于检测机器人在磨抛时机器人末端受到末端执行器反作用力而产生的加速度。

在本发明的典型实施例中，前述位移传感器4亦可以本领域熟知的其它类型位移传感器替代。前述加速度传感器一9、加速度传感器二15也可以替换为本领域熟知的速度传感器、位移传感器等。

在本发明的典型实施例中，对于多自由度的末端执行器，还可以设置与其匹配的可用检测多维运动状态的传感器，作为所述末端执行器的响应。

本发明前述实施例提供的力控末端执行机构可以减小机械臂振动，并很好的解决现有力控方法在机械臂的力控过程中，机械臂低频阻抗大，末端执行器与环境接触力无法达到稳定控制的问题。

相应的，本发明的一典型实施例还提供了一种减小机械臂振动的力控方法，其可以包括提高机器人磨抛的力控方法。概括的讲，该力控方法包括：利用力传感器得到执行器末端与环境的接触力误差，并通过阻抗控制器进行补偿，使其达到跟踪期望力的效果。

进一步的，该力控方法可以包括如下步骤：

步骤一：根据力传感器15收到接触力信号和加速度传感器9的响应信号得到机器人和执行器整体的阻抗信息；

步骤二：根据执行器对机械臂的反作用力信号和加速度传感器12的响应信号得到机器人的阻抗信息；

步骤三：基于动力学模型，以及步骤一、步骤二得到的阻抗信息，可以求得机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗；

步骤四：根据机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗，设定阻抗补偿器；

步骤五：将加速度传感器一9和加速度传感器二12得到的数据成为阻抗补偿器的输入，输出即为所需要补偿力的大小。

其中，所述阻抗补偿器可补偿力的误差值，既可以抑制执行器末端振动，又可以保证力稳定输出。

在一定程度上，该力控方法可以概括为图5所示的流程。

更进一步的，在前述步骤一中，根据力传感器收到接触力信号和传感器9的响应信号得到机械臂系统的阻抗信息。传感器9可以是位移传感器、速度传感器或加速度传感器。由于接触力信号具有不确定性和非线性，由执行器末端的力传感器15得到的接触力信号没有固定的幅值、频率，由加速度传感器9(或者是速度传感器、位移传感器)得到的响应信号也具有随机性。因此通过随机过程的方法的得到外界激励力信号与响应信号的频响函数，该函数就是机械臂与执行器整体的阻抗函数。由此可以通过导纳圆拟合得到机器人在任意姿态下的特征频率、阻尼比，以此求得阻抗参数。该步骤一获得的阻抗参数与不同的响应信号有关，例如，位移信号、速度信号和加速度信号分别对应位移阻抗、速度阻抗和加速度阻抗。同时，可用检测多维运动状态的传感器作为多自由度末端执行器的响应。

在一个较为具体的实施方式中，前述步骤一可以包括：

根据力传感器收到接触力信号和安装在执行器末端加速度计的信号得到机器人与末端执行器整体的阻抗信息的过程如下：

利用末端执行器与环境的接触力作为激励信号，由于该力信号没有固定幅值、周期，具有随机性，因此采用随机激振情况来定义和确定整个系统的机械阻抗信息，在随机激振的情况下的随机振动是一种随机过程，需要采用统计的方法描述，功率谱密度函数反映了统计参量均方值得频率分布。此外，输出、输入的功率谱密度函数和系统频响函数有一定关系，因此可以由此来描述频响函数。

振动系统在任意时间函数的激振力f(t)作用下，其响应x(t)在时域中可由下式确定：

在平稳随机激振下，对于时刻t和t+τ，平稳随机响应的样本函数取值x(t)和x(t+τ)其乘积：

得到自相关函数为：

激振力f(t)和响应x(t+τ)的互相关函数为：

其中h为系统的脉冲响应函数，η、ξ、τ为时间量，φ_xx为x的自相关函数，表示x在不同时刻下的相关性，φ_fx为f和x的自相关函数，表示f和x在不同时刻下的相关性；

用傅里叶变换将上述两式变换成复值频域函数，利用相关函数和功率谱密度函数的关系式：

在随机激振的情况下，由平稳随机激振力(输入)和随机振动响应(输出)之间的关系，导纳函数可以定义为输入的自功率谱S_xx(ω)与输入和输出的互功率谱S_fx(ω)之比：

S_fx(ω)＝H(ω)S_xx(ω) (16)

其中ω为圆频率。

H(ω)就是力信号与加速度信号的频响函数，机械臂的阻抗特性就是频响特性，通过导纳圆拟合，提取传递函数在频域中的信息(以频响函数的实部为横轴坐标，虚部为纵轴坐标在平面坐标系中绘出频响函数的Nyquist图，从Nyquist图中可以找到系统的固有频率、阻尼、刚度、惯量，这一过程可以通过本领域熟知的方式实现，例如通过Matlab软件实现)；得到阻抗参数Z。该阻抗参数Z指

分别是以加速度阻抗形式表示的机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼和刚度。

在一个较为具体的实施方式中，前述步骤二包括：对宏机械臂(即工业机器人)阻抗信息的辨识，采用与步骤一相同的方法。宏机械臂受到激励信号为音圈电机对机械臂的反作用力，响应信号为加速度信号，加速度传感器12装在宏机械臂的末端。该步骤二获得的工业机器人的阻抗信息包括Z_M、Z_B、Z_K，其分别是以加速度阻抗形式表示的机器人惯量、阻尼、刚度。

在一个较为具体的实施方式中，前述步骤三包括：基于动力学模型，以及步骤一、步骤二得到的阻抗信息，可以求得机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗；

具体地，根据图3示出的机器人与执行器整体的质量块模型图建立机器人系统的动力学公式：

其中，将工业机器人看作一个整体，则：

机器人动力学方程：

末端执行器的动力学方程：

机器人与末端执行器整体的动力学方程：

其中M是工业机器人的惯量；B是机器人的阻尼；K是机器人的刚度；x₁是工业机器人末端的位移；x₂是整体的位移；

是工业机器人末端的加速度；

是整体的加速度；x_e是执行器末端与环境接触点的位移量；B_m是末端执行器的阻尼；F是机器人与末端执行器之间的相互作用力，其大小与通过音圈电机线圈的电流大小有关；K_s是环境刚度；B_s是环境阻尼；x_e是末端执行器末端与环境接触点的位移量；M_总、B_总、K_总分别是机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼、刚度。

在该实施方式中，环境的动力学方程表示为：

在分析过程中统一用F_c来表示。

根据机器人系统，得到机器人与执行器整体的阻抗关系，为了方便设计阻抗控制器，可以将阻抗和导纳分别用下式表示：

其中F(s)是力函数的拉普拉斯变换、X(s)位移函数的拉普拉斯变换、Y(s)为导纳函数，Z_s为力传感器到工业机器人P点的阻抗；Z_m为力传感器到末端执行器Q点的阻抗；Y₁为工业机器人的等效导纳；Y_m为末端执行器的等效导纳；

在有力反馈控制回路的情况下，参阅图4所示，得到输入力和接触力的传递函数关系：

其中Z(s)＝Z_m(s)+Z_c(s)；H(s)为力控制器；Z_c(s)为控制器设计的阻抗参数。

由上式可知，当Z(s)＝0时，就可以消除工业机器人对末端执行器的影响，并能使整体保持比较高的带宽。为使Z(s)＝0，那么Z_c(s)＝-Z_m(s)。当控制器的阻抗为-Z_m(s)时，就可以补偿机器人与执行器的输出力偏差。

基于上述的动力学模型，以及步骤一、步骤二得到的阻抗信息，建立新的阻抗表达式：

求得宏机械臂(工业机器人)与微机械臂(末端执行器)串联耦合部分的阻抗Z_b、Z_k以及末端执行器的惯量阻抗Z_m，表达式如下：

以上各式中，Z_m、Z_k、Z_b是以加速度阻抗形式表示的末端执行器惯量、阻尼、刚度；F是机器人与末端执行器之间的相互作用力，其大小与通过音圈电机线圈的电流大小有关，而

Z_M、Z_B的含义如上，此处不再重复说明。

在一个较为具体的实施方式中，前述步骤四包括：根据机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗参数和末端执行器的惯量阻抗，设定阻抗补偿器，所述阻抗补偿器包含Z_m、Z_k、Z_b，Z_m、Z_k、Z_b的含义如上。

在一个较为具体的实施方式中，前述步骤五包括：根据图4所示的控制框图得到期望的阻抗参数，要使机械臂与环境的接触力跟踪到末端执行器提供的期望力，即F_c＝F；从阻抗补偿器输出的力即为补偿力，所以补偿力的大小为：

本发明的以上实施例利用其力控末端执行机构与其整体力控方法，可以有效解决因非刚性的机器人手臂在低频下产生振动，而限制其末端执行器的操控性能，解决机器人手臂因振动而无法稳定工作的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种减小机械臂振动的力控末端执行机构，包括与工业机器人连接的末端执行器，其特征在于，所述末端执行器包括：

音圈电机，包括相互配合的动子(10)和定子(11)，所述动子(10)和定子(11)中的任一者与滑块(13)固定连接，另一者与直线导轨(8)固定连接，所述滑块(13)与直线导轨(8)滑动配合；

位移传感器(4)，至少用于检测所述动子(10)与定子(11)的相对位移；

力传感器(15)，至少用于测量所述末端执行器与工件表面接触力的大小；

第一传感器(9)，至少用于检测在工作时所述末端执行器与工件接触产生的位移信号、速度信号或加速度信号；以及

第二传感器(12)，至少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位移信号、速度信号或加速度信号。

2.根据权利要求1所述的力控末端执行机构，其特征在于：所述音圈电机的定子(11)、动子(10)分别与第二底座(6)、第一底座(7)固定连接，所述直线导轨固定板(2)与所述第二底座(6)、第一底座(7)分别与直线导轨(8)、滑块(13)固定连接，所述力传感器(15)及第一传感器(9)均安装在第一底座(7)上，所述第二传感器(12)安装在第二底座(6)上，并且所述第二底座(6)与工业机器人末端固定连接。

3.根据权利要求2所述的力控末端执行机构，其特征在于：所述第二底座(6)通过直线导轨固定板(2)与直线导轨(8)固定连接，所述第一底座(7)通过滑块固定板(14)与滑块(13)固定连接。

4.根据权利要求3所述的力控末端执行机构，其特征在于：所述直线导轨固定板(2)还与限位机构固定连接，所述限位机构用于限制滑块(13)相对于直线导轨(8)的位置。

5.根据权利要求1所述的力控末端执行机构，其特征在于：所述第一传感器(9)、第二传感器(12)包括位移传感器、速度传感器或加速度传感器；和/或，所述位移传感器包括光栅位移传感器(4)。

6.一种减小机械臂振动的力控方法，其特征在于，所述力控方法是基于权利要求1-5中任一项所述力控末端执行机构实施的，并且所述力控方法包括：

1)根据力传感器(15)接收的接触力信号和第一传感器(9)的响应信号得到工业机器人与末端执行器的整体阻抗信息；

2)参照步骤1)，根据末端执行器对工业机器人末端的反作用力信号和第二传感器(12)的响应信号得到工业机器人的阻抗信息；

3)基于动力学模型以及步骤1)、步骤2)得到的阻抗信息，得到工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息；

4)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补偿器；

5)将第一传感器(9)和第二传感器(12)采集的数据输入阻抗补偿器，经所述阻抗补偿器处理后，输出所需的补偿力。

7.根据权利要求6所述的力控方法，其特征在于，步骤1)具体包括：

依据下式获得力传感器(15)接收的末端执行器与环境的接触力信号和第一传感器(9)的响应信号的频响函数H(ω)，即：

其中ω为圆频率，S_xx(ω)为输入的自功率谱，S_fx(ω)为输入和输出的互功率谱，所述输入为平稳随机激振力，所述输出为随机振动响应，并且：

其中，响应x(t)为所述整体系统在任意时间函数的激振力f(t)作用下于时域中的响应，x(t)·x(t+τ)为在平稳随机激振下对应于时刻t、(t+τ)的平稳随机响应的样本函数取值；

之后通过导纳圆拟合提取传递函数在频域中的信息，由频响函数H(ω)获得由工业机器人与末端执行器构成的整体系统的阻抗参数Z，Z包括

分别是以加速度阻抗形式表示的工业机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼和刚度。

8.根据权利要求7所述的力控方法，其特征在于：步骤2)中所述工业机器人的阻抗信息包括Z_M、Z_B、Z_K，Z_M、Z_B、Z_K分别是以加速度阻抗形式表示的工业机器人的惯量、阻尼、刚度。

9.根据权利要求8所述的力控方法，其特征在于，步骤3)具体包括：

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，所述动力学模型表示为下式(1)、(2)、(3)所示的工业机器人的动力学方程、末端执行器的动力学方程、工业机器人与末端执行器的整体的动力学方程，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是工业机器人与末端执行器整体的位移，

是工业机器人末端的加速度；

是工业机器人与末端执行器整体的加速度，M_m是末端执行器的惯量，B_m是末端执行器的阻尼，K_m是末端执行器的刚度，F是工业机器人与末端执行器之间的相互作用力，K_s是环境刚度，B_s是环境阻尼，x_e是末端执行器末端与环境接触点的位移量，

为环境位置变化率，M_总、B_总、K_总分别是工业机器人与末端执行器整体的惯量、阻尼、刚度，以及，设置环境的动力学方程为

将式(1)、(2)、(3)所示动力学方程中的相应参数转换为阻抗，获得下式(7)、(8)、(9)，即：

进而获得工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗，包括Z_m、Z_k、Z_b，相应表达式如下：

10.根据权利要求9所述的力控方法，其特征在于，步骤5)具体包括：将加速度传感器(9)、加速度传感器(12)采集的信号输入阻抗补偿器，经阻抗补偿器处理后，输出补偿力，相应的计算方程式如下：

其中，所述阻抗补偿器包含Z_m、Z_k、Z_b。

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