CN112605997A - 一种用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人打磨或者抛光恒力控制技术领域,具体地说是一种用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法,其特征在于该装置包括控制模块、力传感器、机械臂、通信模块、显示模块和电缸,机械臂与电缸相连接,机械臂上设有力传感器,控制模块分别与力传感器、电缸、显示模块和通信模块相连,控制模块能够输出控制信号并且与其他模块进行信号传递,力传感器能够实时检测电缸与工件表面的接触力,并将其传送到控制模块;显示模块能够实时显示力传感器传送到控制模块的力信号;通信模块能够实现控制模块与PC端之间信息透传,将控制装置的各项参数,通过数据包发送给PC端,具有结构简单、控制效果好、力度控制灵敏、工作稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人打磨或者抛光恒力控制技术领域,具体地说是一种结构简单、控制效果好、力度控制灵敏、工作稳定的用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法。
背景技术
众所周知,针对具有复杂表面形状的模具和零部件精加工技术是现代精加工和自动制造技术交叉学科的前沿研究领域,是衡量一个国家制造加工技术水平的重要标志。与此同时,基于工件表面的研磨抛光技术被广泛应用到机械、电子、汽车、航空航天等许多行业,主要用于工件的表面打磨,棱角去毛刺,焊缝打磨,内腔内孔去毛刺等工作。使用打磨抛光机器人对于提高打磨质量和产品光洁度、保证其一致性、提高生产率、改善工人劳动条件等具有良好的作用。
目前在机器人打磨应用实践中,存在的难点之一是打磨力控制问题,打磨力大小会直接影响加工作业的精度,从而影响加工质量。如果接触力过大会导致磨削量过大,进而导致工件报废,如果接触力过小则会导致加工效率低下,达不到预期的打磨效果。力控制通过控制机器人各关节的力矩来使末端输出一定的力,也称直接力控制,这种控制方式既要控制位置也要控制力,因而实现较为复杂。而机器人的间接力控制是在机器人末端安装力控制装置,由机器人控制器进行位置控制,力控制装置的控制器进行力控制,通过两者的结合实现机器人力和位置的解耦。
为满足零件装配和抛光打磨等行业的需求,需要寻找一种能够根据不同打磨情况自动调整打磨工具与打磨表面接触力的装置,以提高打磨机器人智能化和自动化水平。工业机器人和力传感器组成的研磨抛光机器人提供了有效的解决方案,由于机器人加工研磨的这些优势,使机器人自动研磨的研究具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足,提供一种结构简单、控制效果好、力度控制灵敏、工作稳定的用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于该装置包括控制模块、力传感器、机械臂、通信模块、显示模块和电缸,所述的机械臂与电缸相连接,机械臂上设有力传感器,所述的控制模块分别与力传感器、电缸、显示模块和通信模块相连,所述的控制模块能够根据预设的恒力与力传感器测量出的实时接触力的差值,通过一定的控制算法计算出控制信号,作用于电缸,同时也负责将信号传递给显示模块和通信模块,力传感器能够实时检测电缸与工件表面的接触力,并将其传送到控制模块;显示模块能够实时显示力传感器传送到控制模块的力信号;通信模块能够实现控制模块与PC端之间信息透传,将控制装置的各项参数,通过数据包发送给PC端。
本发明所述的力传感器是一种单维的力传感器,用于实时检测电缸与工件表面之间的法向作用力。
本发明所述的控制模块负责从力传感器采集反馈信号并输出控制信号,包含微控制器、运算放大器。
本发明所述的电缸是恒定力的直接输出设备,包括步进电机、步进电机驱动器和双边辅助推杆。
本发明所述的显示模块采用LCD显示屏,实时显示传感器传送到控制模块的力信号。
本发明所述的通信模块采用蓝牙通信模块,将控制装置的各项参数通过数据包发送给PC端。
一种用于机械臂的主动自适应力控装置的控制方法:其特征在于该控制方法的步骤如下:
首先,执行步骤S101,力传感器检测电缸与工件表面的实时接触力,接着执行步骤S102,通过显示模块将其显示出来,然后执行步骤S103,判断给定力是否等于力传感器采集回的接触力,若相等,则执行步骤S106,保持当前控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器采集;若不相等,则执行步骤S104和S105,通过改进的单神经元PID算法修改控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器采集。
本发明所述的改进的单神经元PID控制算法为:
其中,u(k)表示控制信号,w1(k),w2(k),w3(k)分别为积分、比例微分的权值系数,ηI、ηp 和 ηd分别为积分、比例和微分的学习速率;K为神经元的比例系数。单神经元PID是基于增量式PID算法进行设计的,x1表示积分项元素,x2表示比例项元素,x3表示微分项元素;k表示第k个采样周期;在该算法中,z(k)也是偏差信号e(k)。
本发明由于采用上述控制装置及控制方法,能够提供用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法,即使当打磨抛光工件表面发生变化时,也能保证执行机构与工件表面有恒定的接触力。同时仿真结果表明,所提出的改进的单神经元PID控制方法在对所述装置进行恒力控制,在施加10N的恒力情况下,超调量为2.7%,调节时间为1.262秒,稳态误差为0N,具有结构简单、控制效果好、力度控制灵敏、工作稳定等优点。
附图说明
图1为本发明提供的主动自适应力控装置整体结构示意图。
图2为本发明提供的主动自适应力控装置硬件电路结构示意图。
图3为本发明提供的力控装置控制算法流程图。
图4为本发明提供的改进的单神经元自适应PID控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
如附图所示,一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于该装置包括控制模块10、力传感器12、机械臂、通信模块14、显示模块11和电缸13,所述的机械臂与电缸13相连接,机械臂上设有力传感器12,所述的控制模块10分别与力传感器12、电缸13、显示模块11和通信模块相连,所述的控制模块10为核心控制部分,能够根据预设的恒力与力传感器12测量出的实时接触力的差值,通过一定的控制算法计算出控制信号,作用于电缸13,同时也负责将信号传递给显示模块11和通信模块,力传感器12,能够实时检测电缸13与工件表面的接触力,并将其传送到控制模块10;显示模块11,能够实时显示力传感器12传送到控制模块10的力信号;通信模块能够实现控制模块10与PC端之间信息透传,将控制装置的各项参数,通过数据包发送给PC端,所述的控制模块10、显示模块11和通信模块14构成了力控装置的内部硬件电路部分,力传感器12、电缸13和机械臂构成了力控装置的外部机械部分。
进一步,所述的力传感器12是一种单维的力传感器12,用于实时检测电缸13与工件表面之间的法向作用力,力传感器12是本实例中测量接触力的核心器件,其对压力的检测精度和速度直接决定了控制器对研磨力的控制精度,力传感器12安装于所述控制装置电缸13的末端,用于实时检测电缸13与工件表面之间的法向作用力,单维力传感器12选用的型号为JHBM-7-5KG,量程为0-5kg,精度高达千分之一,灵敏度为1.5±0.2mv/V,。
进一步,所述的控制模块10负责从力传感器12采集反馈信号并输出控制信号,包含微控制器、运算放大器21,所述的控制模块10中整个控制装置系统硬件以STM32为核心进行设计,包括了LCD显示模块23、蓝牙通信模块22和ADC转换模块(图2所示),所述微控制器20采用是stm32f103c8t6,作为核心控制器进行力信息处理、恒力算法控制和执行器的驱动,所述运算放大器21将力传感器12反馈的信号进行放大,输入到微控制器20,采用蓝牙模块实现STM32微控制器20与PC端之间的无线通信,显示模块11采用LCD显示屏,实时显示传感器传送到控制模块10的力信号。
进一步,所述的电缸13是恒定力的直接输出设备,包括步进电机、步进电机驱动器和双边辅助推杆。
进一步,所述的显示模块11采用LCD显示屏,实时显示传感器传送到控制模块10的力信号。
进一步,所述的通信模块14采用蓝牙通信模块,将控制装置的各项参数通过数据包发送给PC端。
一种用于机械臂的主动自适应力控装置的控制方法:其特征在于该控制方法的步骤如下:
首先,执行步骤S101,力传感器12检测电缸13与工件表面的实时接触力,接着执行步骤S102,通过显示模块11将其显示出来,然后执行步骤S103,判断给定力是否等于力传感器12采集回的接触力,若相等,则执行步骤S106,保持当前控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器12采集;若不相等,则执行步骤S104和S105,通过改进的单神经元PID算法修改控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器12采集。
进一步,图4为本发明提供的改进的单神经元PID控制算法流程图,这种算法改变了传统的单神经元PID控制算法中权值调整的方式。所述改进的单神经元PID控制算法为:
其中,u(k)表示控制信号,w1(k),w2(k),w3(k)分别为积分、比例微分的权值系数,ηI、ηp 和 ηd分别为积分、比例和微分的学习速率;K为神经元的比例系数。单神经元PID是基于增量式PID算法进行设计的,x1表示积分项元素,x2表示比例项元素,x3表示微分项元素;k表示第k个采样周期;在该算法中,z(k)也是偏差信号e(k)。
在需要进行控制:当进行自适应恒力控制时,设定电缸13与工件表面之间的接触力为恒值,即图4中的给定力Fr,力传感器12获得电缸13与工件表面的接触力Fe,给定力与实际接触力作差,差值通过单神经元PID自适应控制器计算得到步进电机所需要的脉冲信号,从而带动推杆运动,使其与工件表面接触。
本发明由于采用上述控制装置及控制方法,能够提供用于机械臂的主动自适应力控装置及其控制方法,即使当打磨抛光工件表面发生变化时,也能保证执行机构与工件表面有恒定的接触力。同时仿真结果表明,所提出的改进的单神经元PID控制方法在对所述装置进行恒力控制,在施加10N的恒力情况下,超调量为2.7%,调节时间为1.262秒,稳态误差为0N,具有结构简单、控制效果好、力度控制灵敏、工作稳定等优点。
实施例:
本实施例中力传感器12容许载荷为5kg,可设定期望的力输出范围是0N-50N,力采样周期为5ms,本实施例中,取ηI=0.07,ηp=0.42,ηd=0.46,k=0.15,w的初值分别为w1=2,w2=1,w3=0.1。
设定期望力为10N,当电缸13的推杆未接触工件表面时,力传感器12采样得到的数据为0。随着电缸13的推杆接触工件表面,力传感器12在0.2s时刻所采样得到的力信号为3.925N,小于设定的期望值,根据误差信号调整三个权值分别为w1=0.2282,w2=0.8508,w3=0.4734,根据控制算法计算所得控制量u=0. 9018,将该控制信号通过调节PWM脉冲作用于电机,然后进行下一次采样;力传感器12在1.0s时刻所采样得到的力信号为10.14N,大于设定的期望值,根据误差信号调整三个权值分别为w1=0.3173,w2=0.8135,w3=0.4874,根据控制算法计算所得控制量u=0. 7318,将该控制信号通过调节PWM脉冲作用于电机,然后进行下一次采样。在1.262s时刻力传感器12所采样得到的力信号为10N,等于期望值,这时达到了稳态,保持当前控制参数。
Claims (9)
1.一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于该装置包括控制模块、力传感器、机械臂、通信模块、显示模块和电缸,所述的机械臂与电缸相连接,机械臂上设有力传感器,所述的控制模块分别与力传感器、电缸、显示模块和通信模块相连,所述的控制模块能够根据预设的恒力与力传感器测量出的实时接触力的差值,通过一定的控制算法计算出控制信号,作用于电缸,同时也负责将信号传递给显示模块和通信模块,力传感器能够实时检测电缸与工件表面的接触力,并将其传送到控制模块;显示模块能够实时显示力传感器传送到控制模块的力信号;通信模块能够实现控制模块与PC端之间信息透传,将控制装置的各项参数,通过数据包发送给PC端。
2.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于所述的力传感器是一种单维的力传感器,用于实时检测电缸与工件表面之间的法向作用力。
3.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于所述的控制模块负责从力传感器采集反馈信号并输出控制信号,包含微控制器、运算放大器。
4.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于所述的电缸是恒定力的直接输出设备,包括步进电机、步进电机驱动器和双边辅助推杆。
5.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于所述的显示模块采用LCD显示屏,实时显示传感器传送到控制模块的力信号。
6.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的主动自适应力控装置,其特征在于所述的通信模块采用蓝牙通信模块,将控制装置的各项参数通过数据包发送给PC端。
7.一种用于机械臂的主动自适应力控装置的控制方法:其特征在于该控制方法的步骤如下:
首先,执行步骤S101,力传感器检测电缸与工件表面的实时接触力,接着执行步骤S102,通过显示模块将其显示出来,然后执行步骤S103,判断给定力是否等于力传感器采集回的接触力,若相等,则执行步骤S106,保持当前控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器采集;若不相等,则执行步骤S104和S105,通过改进的单神经元PID算法修改控制参数,然后执行步骤S101,进行下一步的力传感器采集。
9.单神经元PID是基于增量式PID算法进行设计的,x1表示积分项元素,x2表示比例项元素,x3表示微分项元素;k表示第k个采样周期;在该算法中,z(k)也是偏差信号e(k)。
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