CN113561168A - 基于力矩控制减速增扭力控装置、方法、设备及存储介质 - Google Patents

基于力矩控制减速增扭力控装置、方法、设备及存储介质 Download PDF

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CN113561168A CN202110653072.6A CN202110653072A CN113561168A CN 113561168 A CN113561168 A CN 113561168A CN 202110653072 A CN202110653072 A CN 202110653072A CN 113561168 A CN113561168 A CN 113561168A
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Abstract

本发明公开了一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，包括至少一执行器，每一执行器输出端配置用于实现降低转速增大扭矩的齿轮组(5)；用于实现旋转运动与直线运动转换的传动机构；用于实现导向和抗扭转功能的直线导轨机构；可测量所述直线导轨机构运动方向加速度的加速度传感器(8)；以及控制器，通过控制所述执行器的转矩，配合齿轮组的减速增扭，及传动机构的旋转至直线运动形式转换，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力；并根据所述加速度传感器(8)采集的力控装置的运动方向加速度对传动机构的输出力进行惯性力补偿，实现恒力磨抛。本发明还公开了对应方法，能进一步提升力控装置的力控制带宽和精度。

Description

基于力矩控制减速增扭力控装置、方法、设备及存储介质
技术领域
本发明属于机器人面向曲面类零件的加工技术领域，更具体地，涉及一种基于力矩控制减速增扭力控装置、方法、电子设备及存储介质。
背景技术
机器人在打磨高强度的大曲面零件的过程中，目前一般采用单自由度柔性兰安装于机器人末端进行打磨。在打磨的过程中，安装与机器人末端的单自由度柔性法兰的轴线与曲面零件的法线方向理论上重合，通过法兰的单自由度柔顺实现对零件表面磨抛力的精准控制，从而避免过磨抛和欠磨抛，同时提升大型零件表面加工时的效率。
但是目前的单自由度磨抛法兰的柔顺控制设计中，磨抛装置往往较为笨重，且执行器工作在非额定状态下。一般执行器转速高而扭矩小，输出力小，但是当磨抛面所需的磨抛力较大时，磨抛装置所需的执行器功率高，这使得装置体量变大，灵活性差。机械人加工时的力控制方法多采用阻抗控制的方法,如专利文献CN110962129A其磨抛装置力控制方案采用执行器的位置环和速度环的闭环控制，应用较为成熟。此外，专利文献CN110308648B公开了基于位置的阻抗控制方法，但这些方法力控制精度还不够高，受限于执行器系统特性，响应速度不够。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种单自由度的减速增扭力控装置，该磨抛装置通过在输出端增加减速增扭机构，提高装置的输出力，在不提高执行器功率的情况下，满足大磨抛力加工工况的磨抛需求,解决目前机器人加工末端执行装置中，磨抛装置输出力不足的问题。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，包括
至少一执行器，每一执行器输出端配置用于实现降低转速增大扭矩的齿轮组；
用于实现旋转运动与直线运动转换的传动机构；
用于实现导向和抗扭转功能的直线导轨机构；
与所述传动机构和直线导轨机构连接的用于实现直线推力的输出端；
可测量所述直线导轨机构运动方向加速度的加速度传感器；
以及控制器，所述控制器通过控制所述执行器的转矩，配合齿轮组的减速增扭，及传动机构的旋转至直线运动形式转换，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力；
并根据所述加速度传感器采集的力控装置的运动方向加速度对传动机构的输出力进行惯性力补偿，实现恒力磨抛。
进一步地，所述执行器为电机、气动马达、液压马达或其他可实现回转运动输出装置，其输出端设有齿轮组；
所述传动机构为滚珠丝杠、涡轮蜗杆、齿轮齿条或其他可实现旋转运动至直线运动转换的机构，其通过丝杠螺母与齿轮组连接，实现旋转运动与直线运动转换。
进一步地，所述电机包括用于测量执行器旋转角度的执行器编码器。
进一步地，所述直线导轨机构包括：
直线导轨座；
与所述直线导轨座连接的直线导轨输出顶杆。
进一步地，还包括设于所述输出端底部用于测量力控装置与工件之间接触力的力传感器。
进一步地，还包括设于所述力传感器一侧用于实现被动柔顺的弹性支撑层。
进一步地，所述输出端为用于连接所述传动机构和直线导轨机构的连接板。
进一步地，所述执行器、传动机构和直线导轨机构顶部共面，且设有执行器端盖。
进一步地，所述执行器端盖一端设有用于将力控装置连接至自动化设备上的设备端法兰。
进一步地，所述力控装置底部包含用于将工具连接至力控装置的工具端连接法兰。
进一步地，所述设备端法兰和工具端连接法兰之间周向设有波纹罩。
进一步地，所述连接板与工具端连接法兰之间周向设有至少一个限位装置。
按照本发明的另一个方面，提供一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，包括如下步骤：
S100：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型；
S200：对所述力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力之间的转换关系；
S300：预设期望接触力，根据所述加速度传感器(8)采集的力控装置的运动方向加速度以及编码器间接测得的传动装置输出位移与速度，结合所述转换关系计算期望接触力对应的执行器输出转矩，从而通过执行器的输出转矩控制实现磨抛作业中的对工具与工件间接触力的精确控制。
进一步地，S200中所述执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力之间的静态转换关系为：
Fe＝τmKg-FG-Ff (1)
其中：
Fe——力控装置输出端接触力；
τm——执行器输出扭矩；
Kg——从执行器输出扭矩到力控装置输出端输出力的静态传递系数；
FG、Ff——分别是重力在力控装置力控方向的分力和各传动及导向机构等效到力控装置力控方向的静摩擦力；
进一步地，频域下，执行器力矩与位置的关系为：
Figure BDA0003112532150000041
其中：
m——力控装置运动部分质量；
b——力控装置运动阻尼系数；
k——力控装置弹性支撑层刚度；
Kg——从执行器输出转矩到滚珠丝杆输出力的传递系数；
Tm(s)——执行器输出转矩；
Td——转矩补偿量，包括运动方向上的摩擦力矩和重力矩；
X(s)——法兰位置。
按照本发明的第三方面，提供一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，包括如下步骤：
S400：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型，得到从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数模型；
S500：对所述力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数关系；
S600：预设期望接触力，根据力传感器(8)测得的力控装置输出端接触力，结合从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数关系进行力闭环反馈控制，以执行器力矩环控制作为内环控制，以所述力闭环反馈控制作为外环控制；
S700：根据加速度传感器(8)采集的力控装置运动部分重力加速度分量，对期望接触力进行指令补偿，结合所述内环控制和外环控制实现磨抛作业中的对工具与工件间接触力的精确控制。
进一步地，所述力闭环反馈控制可采用PID控制、阻抗控制或导纳控制。
进一步地，所述PID控制为：
Figure BDA0003112532150000051
其中：
U(t)——PID控制器输出；
err(t)——PID控制器输入；
kp——比例系数；
Figure BDA0003112532150000052
——积分系数；
kpTd——微分系数。
进一步地，执行器输出的控制电流Id为：
Figure BDA0003112532150000053
其中：
e(t)——期望力和实际接触力间的误差。
按照本发明的第四方面，提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求11-19中任一项所述的方法。
按照本发明的第五方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求11-19中任一项所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的减速增扭力控装置，直接在执行器的力矩环下，通过装置的模型参数识别，结合力传感器信号做闭环控制，采用执行器力矩环的导纳控制，控制环路简单，控制带宽高，通过模型识别方法对系统建模，结合力矩环的高带宽控制，相比目前的力控制方案，能进一步提升磨抛装置的力控制带宽和精度。
2.本发明的减速增扭力控装置，控制器通过控制所述执行器的转矩，配合齿轮组的减速增扭，及传动机构的旋转至直线运动形式转换，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力，并根据所述加速度传感器采集的磨抛装置的运动方向加速度对传动机构的输出力进行惯性力补偿，实现恒力磨抛。
3.本发明的减速增扭力控装置，对比分析实际接触力与预设期望接触力获得其误差量，将该误差量作为力控制环的输入变量，获得执行器的电流补偿量，补偿后的电流产生执行器响应力矩，通过所述动力学模型实现精确的接触力控制。
4.本发明的减速增扭力控装置，不同的磨抛装置输出力规格可以通过合理选择执行器额定扭矩，齿轮组扭矩放大系数(减速比)，以及滚珠丝杠的扭矩-推力比，力控装置输出端法兰结构中集成应变片式测力传感器，传感器前端的力控装置输出端法兰内部集成弹性元件，实现主被动复合力控，提升了力控分辨率。
附图说明
图1是本发明基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置的基本原理示意图；
图2是本发明基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置内部结构示意图；
图3是本发明基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置其中一个实施例总体结构示意图；
图4是本发明基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置其中一个实施例剖面示意图；
图5是本发明实施实例中执行器力矩环力控制流程示意图；
图6是本发明实施实例中执行器驱动柔性法兰开环力控制策略示意图；
图7是本发明实施实例中执行器驱动柔性磨抛法兰闭环力控制流程示意图；
图8是本发明实施实例中基于模型的柔性法兰PID力控制策略示意图；
图9是本发明实施实例中基于模型的柔性法兰位置阻抗控制策略。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-机器人端法兰，2-执行器，3-滚珠丝杠，4-丝杠螺母，5-齿轮组，6-波纹罩，7-直线导轨座，8-加速度传感器，9-直线导轨输出顶杆，10-连接板，11-力传感器，12-弹性支撑层，13-工具端连接法兰、14-执行器端盖、15-限位装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-图4所示，本发明实施例提供一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置，其包括机器人端法兰1、工具端连接法兰13以及设于二者之间的波纹罩6，器人端法兰1、工具端连接法兰13以及设于二者之间的波纹罩6共同构成力控作业空间。在该力控作业空间内，设有至少一执行器，每一执行器输出端配置用于实现降低转速增大扭矩的齿轮组5，用于实现旋转运动与直线运动转换的传动机构，用于实现导向和抗扭转功能的直线导轨机构，与所述传动机构和直线导轨机构连接的用于实现直线推力的输出端，可测量所述直线导轨机构运动方向加速度的加速度传感器8，以及控制器，所述控制器通过控制所述执行器的转矩，配合齿轮组的减速增扭，及传动机构的旋转至直线运动形式转换，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力，并根据所述加速度传感器(8)采集的磨抛装置的运动方向加速度对传动机构的输出力进行惯性力补偿，实现恒力磨抛。
具体而言，力控作业空间内设有至少一个电机2、气动马达、液压马达或其他可实现回转运动输出装置作为执行器，其顶部通过执行器端盖14与机器人端法兰1连接，每个执行器的输出端设有齿轮组5。优选地，采用小型交流伺服电机/直流无刷电机作为执行器，电机2工作于力矩控制模式，电机无自锁，通过在电机2输出端配置齿轮组，实现电机驱动时降低转速增大扭矩的效果。优选地，所述电机2包括用于测量电机2旋转角度的电机编码器。此外，与该电机2平行一侧设有传动机构，其包括滚珠丝杠3、涡轮蜗杆、齿轮齿条或其他可实现旋转运动至直线运动转换的机构及丝杠螺母4。其中，滚珠丝杠3顶部与机器人端法兰1连接，底部通过丝杠螺母3与齿轮组5齿合连接，实现旋转运动与直线运动转换。所述输出端为用于连接所述传动机构和直线导轨机构的连接板10，传动机构一侧还设有直线导轨机构，其连接板10固定连接。通过在齿轮组中非电机端的齿轮上固连滚珠丝杠的圆形丝杠母，利用滚珠丝杠实现旋转运动到直线运动的转换。不同的磨抛装置输出力规格可以通过合理选择电机额定扭矩，齿轮组扭矩放大系数(减速比)，以及滚珠丝杠的扭矩-推力比(可通过能量守恒计算)实现，通过直线导轨实现导向和抗扭转功能，此外，在直线导轨座7上装有加速度传感器8。力控装置输出端法兰结构中集成应变片式力传感器11，传感器前端的力控装置输出端法兰内部集成弹性支撑层12，实现主被动复合力控，提升了力控分辨率。
所述直线导轨机构包括直线导轨座7、与所述直线导轨座7连接的直线导轨输出顶杆9。其中，所述直线导轨座7与执行器、传动机构平行设置，直线导轨输出顶杆9、滚珠丝杠3的输出端共面，且与输出端连接，通过执行器输出转矩，通过传动机构实现旋转运动至直线运动转换，输出直线作用力，且通过直线导轨机构实现导向，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力。
优选地，在本发明另一个实施例中，如图2所示，连接板10与工具端连接法兰13之间周向设有至少一个限位装置15，用于限制力控装置，避免其冲顶，从而保护力传感器11免受损坏。
如图5-图9所示，在本发明的另一个实施例中，提供一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其采用两种控制策略：1)仅通过执行器力矩模式的力控方法，通过计算扭矩与力传递的各个环节的系数，得到执行器输出扭矩与力控装置输出力之间的关系函数，该模式下控制环路简单，力控响应快；过程中，需要对齿轮及丝杠系统摩擦力矩进行测试与建模，并进行补偿。2)当系统摩擦力大，力控制精度不足时，引入力传感器读数进行接触力的闭环反馈控制，即在执行器力矩环的外部增加一个力的控制环路，以提升力控精度。
如图5和图6所示，其中一种控制策略，通过执行器力矩模式的力控方法，通过计算扭矩与力传递的各个环节的系数，得到执行器输出扭矩与力控装置输出力之间的关系函数，具体包括如下步骤：
S100：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及磨抛装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型；
S200：对所述力传递系数模型及磨抛装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至磨抛装置输出端接触力之间的转换关系；
通过模型辨识的常用方法计算出扭矩和力传递函数的系数，得到执行器输出扭矩与力控装置输出力之间的函数，在频域下，执行器输出扭矩至磨抛装置输出端接触力之间的转换关系可将其简化为一个二阶系统:
Fe＝τmKg-FG-Ff (1)
其中：
Fe——磨抛装置输出端接触力；
τm——执行器输出扭矩；
Kg——执行器扭矩到磨抛装置输出端接触力的关系系数；
FG、Ff——分别是重力在运动方向的分力和静摩擦力；
频域下，执行器力矩与位置的关系为：
Figure BDA0003112532150000101
其中：
m——法兰运动部分质量；
b——法兰运动阻尼系数；
k——法兰弹性支撑层刚度；
Kg——执行器转矩与滚珠丝杆输出力的系数；
Tm(s)——执行器转矩；
Td(s)——转矩补偿量，包括运动方向上的摩擦力矩和重力矩；
X(s)——法兰位置。
S300：预设期望接触力，根据所述加速度传感器8采集的磨抛装置的运动方向加速度以及编码器间接测得的传动装置输出位移与速度，结合所述转换关系计算期望接触力对应的执行器转矩，从而获得工具端连接法兰与工件的实际接触力，实现恒力磨抛。本发明的减速增扭力控装置，直接在执行器的力矩环下，通过装置的模型参数识别，结合力传感器信号做闭环控制，采用执行器力矩环的导纳控制，控制环路简单，控制带宽高，通过模型识别方法对系统建模，结合力矩环的高带宽控制，相比目前的力控制方案，能进一步提升磨抛装置的力控制带宽和精度。
如图7和图8所示，另一种控制策略，即当系统摩擦力大，力控制精度不足时，引入力传感器读数进行接触力的闭环反馈控制，即在执行器力矩环的外部增加一个力的控制环路，在图5和图6所提出的执行器力矩环力控制前提下，通过在柔性法兰末端的力传感器将实际接触力反馈到控制环路，避免了在重力矩和摩擦力矩补偿不准确的情况下，力控制精度下降的问题。如图7所示，基于此的一种力控制策略，包括如下步骤：
S400：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及磨抛装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型，得到从执行器输出扭矩至磨抛装置输出端接触力的传递函数模型；
S500：对所述力传递系数模型及磨抛装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至磨抛装置输出端接触力的传递函数关系；
S600：预设期望接触力，根据力传感器8测得的磨抛装置输出端接触力，结合从执行器输出扭矩至磨抛装置输出端接触力的传递函数关系进行力闭环反馈控制，以执行器力矩环控制作为内环控制，以所述力闭环反馈控制作为外环控制；
S700：根据加速度传感器8采集的磨抛装置运动部分重力加速度分量，对期望接触力进行指令补偿，结合所述内环控制和外环控制获得工具端连接法兰与工件的实际接触力，实现恒力磨抛。
优选地，所述力闭环反馈控制可采用PID控制、阻抗控制或导纳控制。
如图8所示，在准确的辨识出所设计的基于执行器力矩控制的减速增扭力控装置的基础上，反馈力与期望力作差，将其作为PID控制器的输入，PID控制器的原理是：
Figure BDA0003112532150000121
其中：
U(t)——PID控制器输出；
err(t)——PID控制器输入；
kp——比例系数；
Figure BDA0003112532150000122
——积分系数；
kpTd——微分系数。
又e＝Fd-F，可得执行器输出的控制电流Id
Figure BDA0003112532150000123
其中：
e(t)——期望力和接触力的误差。
通过调整比例、积分和微分项系数，可以实现较开环力控制更好的力控制效果，稳态误差更小。
此外，如图9所示，本发明还提出一种基于力反馈的阻抗控制策略，阻抗控制可表示为：
Figure BDA0003112532150000124
其中ΔF是实际接触力与期望力的误差，E＝X-Xr；
Xr——期望接触位置。
基于模型的力矩内环，反馈的接触力和期望力误差e，经过外部的力控制器，生成控制电流。力控制器包括来了阻抗控制器、位置控制器和速度控制器。力误差通过阻抗控制器生成位置指令，与内环即力矩环反馈的位置信息作差，作为位置控制器的输入；位置控制器的输出与力矩环反馈的速度信息作差，作为速度控制器的输入，经过速度控制器生成控制电流。
基于动力学模型的位置阻抗控制策略，在阻抗的基础上增加了力传感器反馈值，与开环力控制相比，构成了力闭环，实际力控制效果更精确，鲁棒性高。
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，本发明的实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(CommunicationsInterface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，包括
至少一执行器，每一执行器输出端配置用于实现降低转速增大扭矩的齿轮组(5)；
用于实现旋转运动与直线运动转换的传动机构；
用于实现导向和抗扭转功能的直线导轨机构；
与所述传动机构和直线导轨机构连接的用于实现直线推力的输出端；
可测量所述直线导轨机构运动方向加速度的加速度传感器(8)；
以及控制器，所述控制器通过控制所述执行器的转矩，配合齿轮组的减速增扭，及传动机构的旋转至直线运动形式转换，实现通过调节执行器的旋转扭矩控制传动机构的输出力；
并根据所述加速度传感器(8)采集的力控装置的运动方向加速度对传动机构的输出力进行惯性力补偿，实现恒力磨抛。
2.根据权利要求1所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述执行器为电机(2)、气动马达、液压马达或其他可实现回转运动输出装置，其输出端设有齿轮组(5)；
所述传动机构为滚珠丝杠(3)、涡轮蜗杆、齿轮齿条或其他可实现旋转运动至直线运动转换的机构，其通过丝杠螺母(4)与齿轮组(5)连接，实现旋转运动与直线运动转换。
3.根据权利要求2所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述电机(2)包括用于测量执行器旋转角度的执行器编码器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述直线导轨机构包括：
直线导轨座(7)；
与所述直线导轨座(7)连接的直线导轨输出顶杆(9)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，还包括设于所述输出端底部用于测量力控装置与工件之间接触力的力传感器(11)。
6.根据权利要求5所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，还包括设于所述力传感器(11)一侧用于实现被动柔顺的弹性支撑层(12)。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述输出端为用于连接所述传动机构和直线导轨机构的连接板(10)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述执行器、传动机构和直线导轨机构顶部共面，且设有执行器端盖(14)。
9.根据权利要求8所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述执行器端盖(14)一端设有用于将力控装置连接至自动化设备上的设备端法兰(1)。
10.根据权利要求9所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，包含用于将工具连接至力控装置的工具端连接法兰(13)。
11.根据权利要求10所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述设备端法兰(1)和工具端连接法兰(13)之间周向设有波纹罩(6)。
12.根据权利要求10所述的一种基于力矩控制的减速增扭力控装置，其特征在于，所述连接板(10)与工具端连接法兰(13)之间周向设有至少一个限位装置(15)。
13.一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型；
S200：对所述力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力之间的转换关系；
S300：预设期望接触力，根据加速度传感器(8)采集的力控装置的运动方向加速度以及编码器间接测得的传动装置输出位移与速度，结合所述转换关系计算期望接触力对应的执行器输出转矩，从而通过执行器的输出转矩控制实现磨抛作业中的对工具与工件间接触力的精确控制。
14.根据权利要求13所述的一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，S200中所述执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力之间的静态转换关系为：
Fe＝τmKg-FG-Ff (1)
其中：
Fe——力控装置输出端接触力；
τm——执行器输出扭矩；
Kg——从执行器输出扭矩到力控装置输出端输出力的静态传递系数；
FG、Ff——分别是重力在力控装置力控方向的分力和各传动及导向机构等效到力控装置力控方向的静摩擦力。
15.根据权利要求13所述的一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，频域下，执行器力矩与位置的关系为：
Figure FDA0003112532140000031
其中：
m——力控装置运动部分质量；
b——力控装置运动阻尼系数；
k——力控装置弹性支撑层刚度；
Kg——从执行器输出转矩到滚珠丝杆输出力的传递系数；
Tm(s)——执行器输出转矩；
Td——转矩补偿量，包括运动方向上的摩擦力矩和重力矩；
X(s)——法兰位置。
16.一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S400：建立从执行器输出扭矩至传动机构输出力之间的力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型，得到从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数模型；
S500：对所述力传递系数模型及力控装置运动部分的惯性力、阻尼力和弹性力模型进行参数辨识，形成从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数关系；
S600：预设期望接触力，根据力传感器(8)测得的力控装置输出端接触力，结合从执行器输出扭矩至力控装置输出端接触力的传递函数关系进行力闭环反馈控制，以执行器力矩环控制作为内环控制，以所述力闭环反馈控制作为外环控制；
S700：根据加速度传感器(8)采集的力控装置运动部分重力加速度分量，对期望接触力进行指令补偿，结合所述内环控制和外环控制实现磨抛作业中的对工具与工件间接触力的精确控制。
17.根据权利要求16所述的一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，所述力闭环反馈控制可采用PID控制、阻抗控制或导纳控制。
18.根据权利要求17所述的一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，所述PID控制为：
Figure FDA0003112532140000051
其中：
U(t)——PID控制器输出；
err(t)——PID控制器输入；
kp——比例系数；
Figure FDA0003112532140000052
——积分系数；
kpTd——微分系数。
19.根据权利要求18所述的一种基于执行器力矩控制的减速增扭力控方法，其特征在于，执行器输出的控制电流Id为：
Figure FDA0003112532140000053
其中：
e(t)——期望力和实际接触力间的误差。
20.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求11-19中任一项所述的方法。
21.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求11-19中任一项所述的方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114029954A (zh) * 2021-11-15 2022-02-11 中国北方车辆研究所 一种异构伺服的力反馈估计方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104858782A (zh) * 2015-04-03 2015-08-26 华南理工大学 基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法
US20160067865A1 (en) * 2014-09-09 2016-03-10 Honda Motor Co., Ltd. Control system for power unit
CN105486502A (zh) * 2015-12-30 2016-04-13 合肥工业大学 一种往复式旋转激励台架系统
CN105729305A (zh) * 2016-03-23 2016-07-06 吉林大学 力位耦合微动精密抛光装置及在线力检测与控制方法
CN108032213A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 广东省智能制造研究所 一种伺服驱动力控抛磨装置
CN108312010A (zh) * 2018-03-21 2018-07-24 华中科技大学 一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置
CN108443368A (zh) * 2018-05-12 2018-08-24 宁波多维吉汽车科技有限公司 一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法
CN110103114A (zh) * 2019-05-23 2019-08-09 华中科技大学 大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人
CN110861097A (zh) * 2019-12-24 2020-03-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法
CN112666831A (zh) * 2020-12-24 2021-04-16 华中科技大学 一种机器人磨抛加工接触力的主动控制方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160067865A1 (en) * 2014-09-09 2016-03-10 Honda Motor Co., Ltd. Control system for power unit
CN104858782A (zh) * 2015-04-03 2015-08-26 华南理工大学 基于模糊自适应力控制的恒力自动打磨装置及方法
CN105486502A (zh) * 2015-12-30 2016-04-13 合肥工业大学 一种往复式旋转激励台架系统
CN105729305A (zh) * 2016-03-23 2016-07-06 吉林大学 力位耦合微动精密抛光装置及在线力检测与控制方法
CN108032213A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 广东省智能制造研究所 一种伺服驱动力控抛磨装置
CN108312010A (zh) * 2018-03-21 2018-07-24 华中科技大学 一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置
CN108443368A (zh) * 2018-05-12 2018-08-24 宁波多维吉汽车科技有限公司 一种用于分布式复合制动系统的伺服制动缸、制动系统及制动方法
CN110103114A (zh) * 2019-05-23 2019-08-09 华中科技大学 大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人
CN110861097A (zh) * 2019-12-24 2020-03-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 减小机械臂振动的力控末端执行机构及力控方法
CN112666831A (zh) * 2020-12-24 2021-04-16 华中科技大学 一种机器人磨抛加工接触力的主动控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张建民等: "机器人机电一体化设计方法与应用研究", 《机械与电子》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114029954A (zh) * 2021-11-15 2022-02-11 中国北方车辆研究所 一种异构伺服的力反馈估计方法
CN114029954B (zh) * 2021-11-15 2023-04-28 中国北方车辆研究所 一种异构伺服的力反馈估计方法

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