CN112060094B - 基于阻抗控制的机械臂控制方法 - Google Patents

基于阻抗控制的机械臂控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112060094B
CN112060094B CN202010953218.4A CN202010953218A CN112060094B CN 112060094 B CN112060094 B CN 112060094B CN 202010953218 A CN202010953218 A CN 202010953218A CN 112060094 B CN112060094 B CN 112060094B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mechanical arm
calculating
sensor
expected
upper computer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN202010953218.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112060094A (zh
Inventor
张智焕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Original Assignee
Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Science and Technology ZUST filed Critical Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority to CN202010953218.4A priority Critical patent/CN112060094B/zh
Publication of CN112060094A publication Critical patent/CN112060094A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112060094B publication Critical patent/CN112060094B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗控制的机械臂控制方法，它包括带有末端执行器以及位置控制器的机械臂以及用于输入并计算参数的上位机，所述的末端执行器上设有位置传感器、速度传感器及力传感器，并包括a.输入计算期望位姿变量、b.计算期望控制力矩、c.计算误差力矩、d.计算主控制力矩并控制机器人运动直至符合期望值。本发明得到的基于阻抗控制的机械臂控制方法，对比传统的机械臂控制方法，在机械臂启动并接收到传感器反馈的参数后，采用PID控制方法对误差值进行调整，利用计算结果替代传统阻抗控制中直接使用的误差值，避免主控制力矩在趋近期望值过程中产生远大于期望值的峰值，因此机械臂不会对物料造成冲击，能够实现高精度的搬运和加工操作。

Description

基于阻抗控制的机械臂控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，特别是一种基于阻抗控制的机械臂控制方法。
背景技术
在现代的航天、物流、制造加工等领域，机械臂承担了大量搬运货物、设备安装以及产品加工的任务，在机械臂的运动控制中，机械臂末端执行器与任务目标接触的瞬间，由于末端执行器与任务目标之间的相互接触力突然出现，难免导致末端执行器最终的位姿与机械臂原定的目标位姿出现误差，在搬运、加工中，该误差容易导致机械臂对货物或待加工物料造成损伤，影响任务的正确执行，因此，现有技术中采用阻抗控制等柔顺控制方法，主要通过计算在期望位姿下的期望广义力与传感器反馈的末端执行器所受实际广义力的偏差值，以该偏差值对机械臂末端位姿和机械臂的驱动力进行修正，以实现对机械臂偏差的调整控制，这种控制方法响应速度快，然而在机械臂与任务目标接触瞬间，如图3所示，实际接触力的值仍然会出现远大于期望值的峰值，会对物料产生冲击，不利于机械臂对易损物料的加工搬运。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种能使机械臂平顺达到期望接触力、不对物料产生冲击的基于阻抗控制的机械臂控制方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的基于阻抗控制的机械臂控制方法，它包括使用带有末端执行器以及位置控制器的机械臂以及用于输入并计算参数的上位机，所述的末端执行器上设有位置传感器、速度传感器及力传感器，并执行如下步骤：
a.向上位机输入要求末端执行器到达的期望位姿Xd，上位机根据期望位姿Xd与机械臂的当前位姿参数，计算机械臂运动至期望位姿Xd所需的期望速度
Figure GDA0003274802060000021
及期望加速度
Figure GDA0003274802060000022
b.上位机依照期望位姿Xd、期望速度
Figure GDA0003274802060000023
及期望加速度
Figure GDA0003274802060000024
计算出驱动机械臂所需的期望关节变量qd、
Figure GDA0003274802060000025
并依据动力学公式计算得出期望控制力矩：
Figure GDA0003274802060000026
其中，M(qd)为机械臂关节惯量矩阵，
Figure GDA0003274802060000027
代表机械臂运动的哥氏力与向心力矩阵，H(qd)则代表机械臂的重力矢量；
c.上位机同时根据末端执行器上位置传感器、速度传感器及力传感器反馈的关节变量qn、
Figure GDA0003274802060000028
计算出误差力矩τe(n+1)：
Figure GDA0003274802060000029
其中，JT为机械臂的雅可比矩阵，n为传感器反馈关节变量的次数，kp为比例系数，kd为微分系数，Fe则是机械臂末端所受广义接触力的误差值，该误差值定义为：
Fe＝Fd-FeXt
其中，Fd为期望的机械臂末端广义接触力，
Figure GDA00032748020600000210
其中δq＝qd-qn，Mq、Bq、Kq分别为关节惯量、关节阻尼和关节刚度；Fext为机械臂末端执行器的力传感器反馈的实际广义接触力；
d.上位机根据步骤b及步骤c中计算得到的τa及τe，计算出主控制力矩τ＝τa+τe，并将主控制力矩τ发送给位置控制器，使位置控制器控制机械臂执行相应的运动，同时位置传感器、速度传感器及力传感器分别向上位机反馈变化后的实际关节变量qn+1、
Figure GDA0003274802060000031
及变化后的实际广义接触力Fext，并重新执行步骤b至步骤d，直至实际关节变量及实际广义接触力达到期望值的误差允许范围内。
为了方便计算，提高控制效率，所述比例系数kp等于机械臂当前位姿下的雅可比矩阵JT。
本发明得到的基于阻抗控制的机械臂控制方法，运用PID控制方法，根据传感器的反馈数据对机械臂控制过程中的误差力矩τe进行计算预测，而不是直接使用传感器反馈的数据参数，与现有技术相比，本方法输出的主控制力矩，不会产生远大于期望值的峰值，因此机械臂不会对物料造成冲击，能够实现高精度的搬运和加工操作。
附图说明
图1是本发明基于阻抗控制的机械臂控制方法实施例1的流程图；
图2是实施例1的控制框图；
图3是采用现有技术控制机械臂时的实际广义接触力-控制时间曲线；
图4是采用本发明基于阻抗控制的机械臂控制方法控制机械臂时的实际广义接触力-控制时间曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例描述的基于阻抗控制的机械臂控制方法，如图1所示，它包括使用带有末端执行器以及位置控制器的机械臂以及用于输入并计算参数的上位机，所述的末端执行器上设有位置传感器、速度传感器及力传感器，并执行如下步骤：
a.向上位机输入要求末端执行器到达的期望位姿Xd，上位机根据期望位姿Xd与机械臂的当前位姿参数，计算机械臂运动至期望位姿Xd所需的期望速度
Figure GDA0003274802060000041
及期望加速度
Figure GDA0003274802060000042
b.期望位姿Xd、期望速度
Figure GDA0003274802060000043
及期望加速度
Figure GDA0003274802060000044
计算出驱动机械臂所需的期望关节变量qd、
Figure GDA0003274802060000045
并依据动力学公式计算得出期望控制力矩：
Figure GDA0003274802060000046
其中，M(qd)为机械臂关节惯量矩阵，
Figure GDA0003274802060000047
代表机械臂运动的哥氏力与向心力矩阵，H(qd)则代表机械臂的重力矢量；步骤b中将笛卡尔空间下的期望位姿变量转换为关节空间下的期望关节变量，该过程为现有技术，本实施例不予详述；
c.上位机同时根据末端执行器上位置传感器、速度传感器及力传感器反馈的关节变量qn、
Figure GDA0003274802060000048
计算出误差力矩τe(n+1)：
Figure GDA0003274802060000049
其中，JT为机械臂的雅可比矩阵，n为传感器反馈关节变量的次数，kp为比例系数，kd为微分系数，这两种系数可以通过试验整定，Fe则是机械臂末端所受广义接触力的误差值，该误差值定义为：
Fe＝Fd-Fext；
其中，Fd为期望的机械臂末端广义接触力，
Figure GDA00032748020600000410
其中δq＝qd-qn，Mq、Bq、Kq分别为关节惯量、关节阻尼和关节刚度，在实际操作中，Mq、Bq、Kq的值由机械臂控制器的参数决定；Fext为机械臂末端执行器的力传感器反馈的实际广义接触力；
d.上位机根据步骤b及步骤c中计算得到的τa及τe，计算出主控制力矩τ＝τa+τe，并将主控制力矩τ发送给位置控制器，使位置控制器控制机械臂执行相应的运动，同时位置传感器、速度传感器及力传感器分别向上位机反馈变化后的实际关节变量qn+1、
Figure GDA0003274802060000051
及变化后的实际广义接触力Fext，并重新执行步骤b至步骤d，直至实际关节变量及实际广义接触力达到期望值的误差允许范围内。
为了方便计算，提高控制效率，所述比例系数kp等于机械臂当前位姿下的雅可比矩阵JT，则此时，上述误差力矩τe(n)此时变为：
Figure GDA0003274802060000052
在实际工作过程中，上位机可采用计算机，机械臂对应的雅可比矩阵JT随机械臂末端执行器的位姿变化而变化。
在机械臂首次启动并与货物或待加工材料等任务目标接触时，计n＝0，同时根据上位机转换的期望关节变量qd、
Figure GDA0003274802060000053
以及传感器反馈或原本存储在上位机中的初始关节变量q0、
Figure GDA0003274802060000054
分别计算得到τa及τe(1)＝JTFe，因此上位机向位置控制器输出的初始主控制力矩参数τ0＝τa+JTFe；
当机械臂在τ0的力矩驱动下运动，位置传感器、速度传感器及力传感器向上位机反馈相应的实际关节变量，例如q1、
Figure GDA0003274802060000055
以及运动中的实际广义接触力Fext，此时依照误差力矩τe(n+1)的计算公式，得到：τe(2)＝τe(1)+JT(Fe)+kd(Fe)，并将该参数与τa相加，得到进一步的主控制力矩τ1，主控制力矩τ1驱动机械臂，实现对机械臂的位姿和控制力进行调整，使机械臂逐渐趋近期望位姿。
本实施例提供的基于阻抗控制的机械臂控制方法，对比传统的机械臂控制方法，在机械臂启动并接收到传感器反馈的参数后，采用PID控制方法对误差值进行调整，利用计算结果τe(n)+JT(Fe)+kd(Fe)替代传统阻抗控制中的JTFe值，如图4所示，经过试验取得参数后，可以得知，该方法能避免主控制力矩在趋近期望值过程中产生远大于期望值的峰值，因此机械臂不会对物料造成冲击，能够实现高精度的搬运和加工操作，本实施例中，采用丹麦优傲机器人生产的UR5型通用机器人，采用插入实验，使用机械臂将圆柱工件插入圆孔中，并将Fd设置为10N，该机器人的机械臂控制器参数见表1，其中有：Mq＝JTMdJ、
Figure GDA0003274802060000061
Kq＝JTKdJ，该计算式为现有技术，本文不作详述。
表1机械臂控制器参数表
参数 数值
期望惯量M<sub>d</sub> 0.1N·s<sup>2</sup>/m
期望阻尼B<sub>d</sub> 35N·s/m
期望刚度K<sub>d</sub> 5250N/m

Claims (2)

1.一种基于阻抗控制的机械臂控制方法，它包括使用带有末端执行器以及位置控制器的机械臂以及用于输入并计算参数的上位机，所述的末端执行器上设有位置传感器、速度传感器及力传感器，并执行如下步骤：
a.向上位机输入要求末端执行器到达的期望位姿Xd，上位机根据期望位姿Xd与机械臂的当前位姿参数，计算机械臂运动至期望位姿Xd所需的期望速度
Figure FDA0003274802050000011
及期望加速度
Figure FDA0003274802050000012
b.上位机依照期望位姿Xd、期望速度
Figure FDA0003274802050000013
及期望加速度
Figure FDA0003274802050000014
计算出驱动机械臂所需的期望关节变量qd、
Figure FDA0003274802050000015
并依据动力学公式计算得出期望控制力矩：
Figure FDA0003274802050000016
其中，M(qd)为机械臂关节惯量矩阵，
Figure FDA0003274802050000017
代表机械臂运动的哥氏力与向心力矩阵，H(qd)则代表机械臂的重力矢量；
其特征是：
c.上位机同时根据末端执行器上位置传感器、速度传感器及力传感器反馈的关节变量qn、
Figure FDA0003274802050000018
计算出误差力矩τe(n+1)：
Figure FDA0003274802050000019
其中，JT为机械臂的雅可比矩阵，n为传感器反馈关节变量的次数，该数值由上位机计数，kp为比例系数，kd为微分系数，Fe则是机械臂末端所受广义接触力的误差值，该误差值定义为：
Fe＝Fd-Fext
其中，Fd为期望的机械臂末端广义接触力，
Figure FDA0003274802050000021
Figure FDA0003274802050000022
其中δq＝qd-qn，Mq、Bq、Kq分别为关节惯量、关节阻尼和关节刚度；
Fext为机械臂末端执行器的力传感器反馈的实际广义接触力；
d.上位机根据步骤b及步骤c中计算得到的τa及τe，计算出主控制力矩τ＝τa+τe，并将主控制力矩τ发送给位置控制器，使位置控制器控制机械臂执行相应的运动，同时位置传感器、速度传感器及力传感器分别向上位机反馈变化后的实际关节变量qn+1、
Figure FDA0003274802050000023
及变化后的实际广义接触力Fext，并重新执行步骤b至步骤d，直至实际关节变量及实际广义接触力达到期望值的误差允许范围内。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗控制的机械臂控制方法，其特征是所述比例系数kp等于机械臂当前位姿下的雅可比矩阵JT。
CN202010953218.4A 2020-09-11 2020-09-11 基于阻抗控制的机械臂控制方法 Expired - Fee Related CN112060094B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010953218.4A CN112060094B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 基于阻抗控制的机械臂控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010953218.4A CN112060094B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 基于阻抗控制的机械臂控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112060094A CN112060094A (zh) 2020-12-11
CN112060094B true CN112060094B (zh) 2022-02-15

Family

ID=73696037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010953218.4A Expired - Fee Related CN112060094B (zh) 2020-09-11 2020-09-11 基于阻抗控制的机械臂控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112060094B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114310912A (zh) * 2022-02-10 2022-04-12 北京航空航天大学杭州创新研究院 机械臂装配控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101332604A (zh) * 2008-06-20 2008-12-31 哈尔滨工业大学 人机相互作用机械臂的控制方法
CN103213129A (zh) * 2013-04-17 2013-07-24 北京空间飞行器总体设计部 一种空间机械臂位置力混合控制方法
JP2013146793A (ja) * 2012-01-17 2013-08-01 Seiko Epson Corp ロボット制御装置、ロボットシステム及びロボット制御方法
CN110421547A (zh) * 2019-07-12 2019-11-08 中南大学 一种基于估计动力学模型的双臂机器人协同阻抗控制方法
CN110962129A (zh) * 2019-12-20 2020-04-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种机械臂阻抗控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101332604A (zh) * 2008-06-20 2008-12-31 哈尔滨工业大学 人机相互作用机械臂的控制方法
JP2013146793A (ja) * 2012-01-17 2013-08-01 Seiko Epson Corp ロボット制御装置、ロボットシステム及びロボット制御方法
CN103213129A (zh) * 2013-04-17 2013-07-24 北京空间飞行器总体设计部 一种空间机械臂位置力混合控制方法
CN110421547A (zh) * 2019-07-12 2019-11-08 中南大学 一种基于估计动力学模型的双臂机器人协同阻抗控制方法
CN110962129A (zh) * 2019-12-20 2020-04-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种机械臂阻抗控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于阻抗控制的空间机械臂接触控制与轨迹规划技术;黄剑斌等;《航天器工程》;20130831;第22卷(第4期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112060094A (zh) 2020-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10864632B2 (en) Direct teaching method of robot
EP1845427B1 (en) Control
JP4850956B2 (ja) 学習制御機能を備えたロボット
JP2010253676A (ja) マニピュレータの制御方法および制御装置
CN109954955B (zh) 机器人系统
CN109648564B (zh) 一种基于递阶结构mpc的多自由度柔性关节机械臂系统的控制方法
Humaidi et al. Adaptive control of parallel manipulator in Cartesian space
CN112060094B (zh) 基于阻抗控制的机械臂控制方法
US11597083B2 (en) Robot apparatus, robot system, control method of robot apparatus, product manufacturing method using robot apparatus, and storage medium
Deutschmann et al. Position control of an underactuated continuum mechanism using a reduced nonlinear model
CN110900613A (zh) 一种面向移动机器人的不停车控制方法及系统
Saied et al. Feedforward super-twisting sliding mode control for robotic manipulators: Application to PKMs
CN109773792B (zh) 串联弹性驱动器的位置控制装置及方法、存储介质、设备
US9827673B2 (en) Robot controller inhibiting shaking of tool tip in robot equipped with travel axis
Rossi et al. Implicit force control for an industrial robot with flexible joints and flexible links
Kuo et al. Nonlinear robust hybrid control of robotic manipulators
Cheah et al. Adaptive Jacobian motion and force tracking control for constrained robots with uncertainties
Fateh et al. On the transforming of control space by manipulator Jacobian
Wu et al. An adaptive neural network compensator for decoupling of dynamic effects of a macro-mini manipulator
Fernandez et al. Multi-surface admittance control approach applied on robotic assembly of large-scale parts in aerospace manufacturing
Tyutikov et al. Robot manipulator control system with dynamic moment compensation
Koo et al. Control and development of a 3D rrinted SCARA robot as an underactuated system
Kinsheel Hybrid force/position control of robotic drilling system
Thunyajarern et al. PSO based adaptive force controller for 6DOF robot manipulators
Kommaneesang et al. Contouring control of a 5-DOF dual-arm robot for machining based on equivalent errors

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220215