CN113459085A - 一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法 - Google Patents

一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，属于机器人控制技术领域，将获得若干个曲面关键点作为贝兹曲线拟合的控制顶点，通过轨迹规划算法初步拟合出机器人运动参考轨迹；通过建立的阻抗模型求得位置修正量，并与机器人上一时刻的实际位置叠加，求得机器人当前位置。本发明科学合理，采用轨迹规划算法初步拟合出机器人参考轨迹，有利于减小机器人位置修正量，使得机器人运动更加平稳；本发明还通过实时读取真实接触力数据，对机器人位置修正量进行求解，力传感器反馈数据以及下发指令实时性高，保证了贴合的有效性，提高了机器人运动过程的安全性，有效避免接触力过大而导致机器人及曲面受到损伤。

Description

一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体是一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法。
背景技术
目前机器人应用于工业、医疗行业，如机器人打磨、机器人B超系统，机器人面向的贴合面均为复杂曲面。机器人力控技术是保证贴合有效性以及安全性的前提，传统的PID控制不能使机器人表现出一定的柔性，无法保证复杂曲面贴合的有效性；力/位混合控制能够实现对每个轴的力控与位控，但方法复杂。在力反馈方面，现阶段大部分机器人不能反馈力信息，目前在机器人末端加装力传感器是广泛应用的一种方法，通过力传感器实时反馈接触力，但其测量精度未得到验证。所以，人们需要一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法来解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术，提供一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法解决机器人对于复杂曲面无法有效贴合的问题。
技术方案：本发明所述一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，用于拟合机器人运动的参考轨迹，包括以下步骤：
S10、基于机器人对复杂曲面的实际贴合轨迹需求，通过示教手动获得若干个曲面关键点；
S20、将各曲面关键点作为贝兹曲线拟合的控制顶点，通过轨迹规划算法初步拟合出机器人运动参考轨迹；
S30、基于机器人与复杂曲面的贴合效果，根据经验给出期望力；
S40、建立阻抗模型并设定参数数值，需设定的参数包括惯性参数、刚度参数、阻尼参数；
S50、通过安装在机器人上的传感器实时反馈当前时刻接触力数据；将当前时刻接触力数据同机器人当前速度、当前加速度代入建立的阻抗模型，求得位置修正量；将位置修正量与机器人上一时刻的实际位置叠加，求得机器人当前位置并对机器人下发指令；
S60、重复步骤S40、S50直至机器人运动至最后一个曲面关键点，停止下发运动指令，机器人完成整个曲面贴合过程，运动结束。
优选的，所述S20中，轨迹规划算法具体步骤如下：
S2001、选取n+1个控制顶点，将各控制顶点代入n次贝兹曲线公式：
Figure BDA0003081291340000021
其中，Pi为控制顶点，
Figure BDA0003081291340000022
为伯恩斯坦基函数，n为贝兹曲线次数，i为控制顶点的下表索引；
S2002、将n次贝兹曲线公式如下递归表达：
Figure BDA0003081291340000023
其中，
Figure BDA0003081291340000024
为n次曲线上的点，t为比例系数，
Figure BDA0003081291340000025
为由控制顶点递推出的点；
S2003、将各控制顶点代入贝兹曲线的递推表达式，初步拟合机器人运动参考轨迹；贝兹曲线的递推表达式如下：
Figure BDA0003081291340000026
其中，
Figure BDA0003081291340000027
为k次贝兹曲线上、第i段曲线上的点，t为比例系数。
优选的，所述S50中，阻抗模型如下：
Figure BDA0003081291340000028
其中，M为惯性系数，B为阻尼系数，K为刚度系数；
Figure BDA0003081291340000029
为实际加速度，
Figure BDA00030812913400000210
为参考轨迹加速度；
Figure BDA00030812913400000211
为实际速度，
Figure BDA00030812913400000212
为参考轨迹速度；X为实际轨迹，Xr为参考轨迹；F为实际接触力，Fr为期望接触力。
优选的，当前加速度求解过程如下：
Figure BDA0003081291340000031
其中，
Figure BDA0003081291340000032
为t时刻加速度，即当前加速度；F(t-1)为t-1时刻真实接触力(由传感器测得)，Fr为期望接触力；X(t-1)为t-1时刻机器人实际轨迹，Xr(t-1)为t-1时刻机器人参考轨迹；
Figure BDA0003081291340000033
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure BDA0003081291340000034
为t-1时刻参考轨迹速度；
Figure BDA0003081291340000035
为t-1时刻参考轨迹加速度。
优选的，当前速度求解过程如下：
Figure BDA0003081291340000036
其中，
Figure BDA0003081291340000037
为t时刻速度，即当前速度；
Figure BDA0003081291340000038
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure BDA0003081291340000039
为t时刻加速度，t为运动指令时间间隔。
优选的，位置修正量求解过程如下：
Figure BDA00030812913400000310
其中，ΔX(t)为t时刻位置修正量，
Figure BDA00030812913400000311
为t时刻速度，t为运动指令时间间隔。优选的，机器人当前位置求解过程如下：
X(t)＝X(t-1)+ΔX
其中，X(t)为t时刻机器人实际位置，即当前位置；X(t-1)为t-1时刻机器人实际位置，ΔX(t)为t时刻位置修正量。
有益效果：本发明采用轨迹规划算法初步拟合出机器人参考轨迹，有利于减小机器人位置修正量，使得机器人运动更加平稳，贴合效率更高；当机器人面对不同环境时，可以调整自身的惯性参数、刚度参数、阻尼参数来适应环境；本发明还通过安装在机器人上的力传感器实时读取真实接触力数据，并利用此数据对机器人位置修正量进行求解，力传感器反馈数据以及下发指令实时性高，保证了贴合的有效性，提高了机器人运动过程的安全性，有效避免接触力过大而导致机器人及曲面受到损伤。
附图说明
图1为本发明一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法的总流程图；
图2为本发明一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法的贝兹拟合曲线；
图3为本发明一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法的位置修正示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
实施例1：如图1-3所示，一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，用于拟合机器人运动的参考轨迹，包括以下步骤：
步骤10、基于机器人对复杂曲面的实际贴合轨迹需求，通过示教手动获得十个曲面关键点；
步骤20、将各曲面关键点作为贝兹曲线拟合的控制顶点，通过轨迹规划算法初步拟合出机器人运动参考轨迹；贝塞尔曲线递推式用matlab程序实现；
步骤30、基于机器人与复杂曲面的贴合效果，根据经验给出期望力，给出的期望力为10N；
步骤40、建立阻抗模型并设定参数数值，需设定的参数包括惯性参数、刚度参数、阻尼参数，惯性参数、刚度参数、阻尼参数分别设定1、5、50；
步骤50、通过安装在机器人上的传感器实时反馈当前时刻接触力数据；将当前时刻接触力数据同机器人当前速度、当前加速度代入建立的阻抗模型，求得位置修正量；将位置修正量与机器人上一时刻的实际位置叠加，求得机器人当前位置并对机器人下发指令；
步骤60、重复步骤步骤40、步骤50直至机器人运动至最后一个曲面关键点，停止下发运动指令，机器人完成整个曲面贴合过程，运动结束。
步骤20中，轨迹规划算法具体步骤如下：
步骤2001、选取n+1个控制顶点，将各控制顶点代入n次贝兹曲线公式：
Figure BDA0003081291340000051
其中，Pi为控制顶点，
Figure BDA0003081291340000052
为伯恩斯坦基函数，n为贝兹曲线次数，i为控制顶点的下表索引；
步骤2002、将n次贝兹曲线公式如下递归表达：
Figure BDA0003081291340000053
其中，
Figure BDA0003081291340000054
为n次曲线上的点，t为比例系数，
Figure BDA0003081291340000055
为由控制顶点递推出的点；
步骤2003、将各控制顶点代入贝兹曲线的递推表达式，初步拟合机器人运动参考轨迹；贝兹曲线的递推表达式如下：
Figure BDA0003081291340000056
其中，
Figure BDA0003081291340000057
为k次贝兹曲线上、第i段曲线上的点，t为比例系数。
步骤50中，阻抗模型如下：
Figure BDA0003081291340000058
其中，M为惯性系数，B为阻尼系数，K为刚度系数；
Figure BDA0003081291340000059
为实际加速度，
Figure BDA00030812913400000510
为参考轨迹加速度；
Figure BDA00030812913400000511
为实际速度，
Figure BDA00030812913400000512
为参考轨迹速度；X为实际轨迹，Xr为参考轨迹；F为实际接触力，Fr为期望接触力。
当前加速度求解过程如下：
Figure BDA00030812913400000513
其中，
Figure BDA00030812913400000514
为t时刻加速度，即当前加速度；F(t-1)为t-1时刻真实接触力(由传感器测得)，Fr为期望接触力；X(t-1)为t-1时刻机器人实际轨迹，Xr(t-1)为t-1时刻机器人参考轨迹；
Figure BDA00030812913400000515
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure BDA00030812913400000516
为t-1时刻参考轨迹速度；
Figure BDA0003081291340000061
为t-1时刻参考轨迹加速度；
t-1时刻参考轨迹速度和t-1时刻参考轨迹加速度求解方法如下：
Figure BDA0003081291340000062
Figure BDA0003081291340000063
其中，Δt为下发运动指令的时间间隔。
当前速度求解过程如下：
Figure BDA0003081291340000064
其中，
Figure BDA0003081291340000065
为t时刻速度，即当前速度；
Figure BDA0003081291340000066
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure BDA0003081291340000067
为t时刻加速度，t为运动指令时间间隔。
位置修正量求解过程如下：
Figure BDA0003081291340000068
其中，ΔX(t)为t时刻位置修正量，
Figure BDA0003081291340000069
为t时刻速度，t为运动指令时间间隔。机器人当前位置求解过程如下：
X(t)＝X(t-1)+ΔX
其中，X(t)为t时刻机器人实际位置，即当前位置；X(t-1)为t-1时刻机器人实际位置，ΔX(t)为t时刻位置修正量。
如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，用于拟合机器人运动的参考轨迹，其特征在于，包括以下步骤：
S10、基于机器人对复杂曲面的实际贴合轨迹需求，通过示教手动获得若干个曲面关键点；
S20、将各曲面关键点作为贝兹曲线拟合的控制顶点，通过轨迹规划算法初步拟合出机器人运动参考轨迹；
S30、基于机器人与复杂曲面的贴合效果，根据经验给出期望力；
S40、建立阻抗模型并设定参数数值，需设定的参数包括惯性参数、刚度参数、阻尼参数；
S50、通过安装在机器人上的传感器实时反馈当前时刻接触力数据；将当前时刻接触力数据同机器人当前速度、当前加速度代入建立的阻抗模型，求得位置修正量；将位置修正量与机器人上一时刻的实际位置叠加，求得机器人当前位置并对机器人下发指令；
S60、重复步骤S40、S50直至机器人运动至最后一个曲面关键点，停止下发运动指令，机器人完成整个曲面贴合过程，运动结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，所述S20中，轨迹规划算法具体步骤如下：
S2001、选取n+1个控制顶点，将各控制顶点代入n次贝兹曲线公式：
Figure FDA0003081291330000011
其中，Pi为控制顶点，
Figure FDA0003081291330000012
为伯恩斯坦基函数，n为贝兹曲线次数，i为控制顶点的下表索引；
S2002、将n次贝兹曲线公式如下递归表达：
Figure FDA0003081291330000013
其中，
Figure FDA0003081291330000021
为n次曲线上的点，t为比例系数，
Figure FDA0003081291330000022
为由控制顶点递推出的点；
S2003、将各控制顶点代入贝兹曲线的递推表达式，初步拟合机器人运动参考轨迹；贝兹曲线的递推表达式如下：
Figure FDA0003081291330000023
其中，
Figure FDA0003081291330000024
为k次贝兹曲线上、第i段曲线上的点，t为比例系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，所述S50中，阻抗模型如下：
Figure FDA0003081291330000025
其中，M为惯性系数，B为阻尼系数，K为刚度系数；
Figure FDA0003081291330000026
为实际加速度，
Figure FDA0003081291330000027
为参考轨迹加速度；
Figure FDA0003081291330000028
为实际速度，
Figure FDA0003081291330000029
为参考轨迹速度；X为实际轨迹，Xr为参考轨迹；F为实际接触力，Fr为期望接触力。
4.根据权利要求3所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，当前加速度求解过程如下：
Figure FDA00030812913300000210
其中，
Figure FDA00030812913300000211
为t时刻加速度，即当前加速度；F(t-1)为t-1时刻真实接触力(由传感器测得)，Fr为期望接触力；X(t-1)为t-1时刻机器人实际轨迹，Xr(t-1)为t-1时刻机器人参考轨迹；
Figure FDA00030812913300000212
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure FDA00030812913300000213
为t-1时刻参考轨迹速度；
Figure FDA00030812913300000214
为t-1时刻参考轨迹加速度。
5.根据权利要求4所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，当前速度求解过程如下：
Figure FDA00030812913300000215
其中，
Figure FDA00030812913300000216
为t时刻速度，即当前速度；
Figure FDA00030812913300000217
为t-1时刻机器人实际速度，
Figure FDA00030812913300000218
为t时刻加速度，t为运动指令时间间隔。
6.根据权利要求5所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，位置修正量求解过程如下：
Figure FDA0003081291330000031
其中，ΔX(t)为t时刻位置修正量，
Figure FDA0003081291330000032
为t时刻速度，t为运动指令时间间隔。
7.根据权利要求6所述的一种基于力反馈的复杂曲面机器人贴合方法，其特征在于，机器人当前位置求解过程如下：
X(t)＝X(t-1)+ΔX
其中，X(t)为t时刻机器人实际位置，即当前位置；X(t-1)为t-1时刻机器人实际位置，ΔX(t)为t时刻位置修正量。
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