CN114789432B - 一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法 - Google Patents

Abstract

大型建筑工程如机场、博物馆、站房等，对板材安装作业双臂机器人装备有迫切的需求。针对待安装板材尺寸大、重量大、作业环境复杂且需对接触力进行控制的特点，本发明提供了一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法。该方法结合阻抗与模糊控制方法，对主臂采用阻抗控制，从臂采用模糊变阻抗控制方法。双臂协作控制系统提供通信及数据传输功能，从臂在每个周期内都可根据主臂的实时位置与姿态信息，协同主臂进行板材装配。本发明可以可用于建筑作业双臂机器人的协作控制，保证板材的安装位置准确，并且运行高效平稳。

Description

一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法

技术领域

本发明属于建筑作业及机器人技术领域，特别涉及一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法。

背景技术

双臂机器人在执行板材安装作业时，由于板材与墙壁等外界工作环境发生接触而产生力。这种接触力作用在机器人末端执行器上时可能导致其损坏，进而使得安装任务无法完成。因此不仅要控制双臂机器人的位置，还要控制机器人末端执行器与环境之间的接触力。目前机器人力控制策略可以分为阻抗控制和力位混合控制，阻抗控制的安装过程平稳但位置精度不高，力位混合控制策略虽然具有较高的安装精度但是在力位切换时会引起抖动；同时，传统的机器人力控制方法一般与动力学相联系，需要基于精确系统模型进行控制设计。因此研究合适的双臂机器人控制方法，对于实现高精度的板材安装作业具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法，实现板材安装过程中位置和力的控制，以保证板材的位置安装精度和平稳的运行过程。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法，包括以下步骤：

S1、在给出期望的主臂位置后，根据主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据以及期望位置设计主臂-板材阻抗控制器，计算出主臂末端指令位置；根据编码器获得的主臂末端位置数据和主臂-从臂位置约束关系，计算出从臂的期望位置；

S2、使用从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，通过模糊逻辑系统将从臂与板材间的接触力或力矩信息转化为从臂-板材阻抗模型中的刚度偏移系数；

S3、根据从臂的接触力期望值、从臂-板材阻抗模型和刚度偏移系数，利用从臂末端的六维力传感器采集到的实时接触力数据，设计从臂-板材变阻抗控制算法，从而求取从臂的位移偏移量，并进一步获得从臂的指令位置。

本发明中，主臂的输入是期望位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，主臂-板材阻抗控制器采用阻抗方法；从臂的输入是采集的主臂末端实际位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，从臂位置控制器采用变刚度控制方法。

进一步地，步骤S2中，首先根据从臂末端的六维力传感器采集到的接触力以及接触力期望值，求出接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f；然后对接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f进行模糊化，并按照刚度偏移系数模糊推理规则，求出刚度偏移系数的模糊值；最后根据阻抗偏移系数清晰化计算，得到刚度偏移系数ΔK。

进一步地，所述接触力误差e_f的计算公式为：

e_f＝f_t-f_d

其中f_t是从臂末端的六维力传感器采集到的接触力，f_d是接触力期望值，e_f的变化范围为[-f_d,f_tmax-f_d]，f_tmax为从臂末端的六维力传感器采集到的最大接触力，接触力误差分成7个模糊集E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，采用高斯隶属度函数；接触力误差变化量Δe_f的变化范围为[-2f_tmax,2f_tmax]；

在板材运动的x方向，接触力误差e_f在x方向要求的论域范围为[e_fxmin,e_fxmax]，e_fxmin和e_fxmax为整数，例如e_fxmin＝-5，e_fxmax＝5。论域e_fx0变换方法为：

将x方向的接触力误差e_fx及误差变化量Δe_fx的模糊值作为输入，通过建立模糊规则进行运算，从而得到刚度偏移系数的模糊值；

刚度偏移系数同样分成7个模糊集E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，采用高斯隶属度函数，刚度偏移系数在x方向的清晰值k_x0的变化范围为[k_xmin,k_xmax]，k_xmin和k_xmax为整数，例如k_xmin＝-3和k_xmax＝3。实际输出值即x方向的刚度偏移系数ΔK_x的变化范围为[ΔK_xmin,ΔK_xmax]，ΔK_xmin和ΔK_xmax表示刚度偏移系数在x方向的最小和最大值，取值为设定刚度偏移系数的0～2倍，采用线性变换的方法计算ΔK_x：

同理计算其余方向的刚度偏移系数，最后将各方向的刚度偏移系数组成对角矩阵得到总的刚度偏移系数矩阵ΔK。

进一步地，步骤S3中，对从臂末端抓取板材运动的位置/力采用变阻抗的控制方法，从臂的指令位置x_r2的计算公式为：

其中，F_d2是从臂的期望接触力，F_e2是从臂末端的六维力矩传感器采集到的接触力，x_d2是从臂末端的期望位置，e₂表示从臂的位置补偿量，M₂、B₂和K₂是从臂-板材间阻抗模型的惯性、阻尼和刚度矩阵。ΔK是刚度偏移系数，由步骤S2计算得到。

与现有技术相比，本发明提供的双臂机器人力位混合控制方法具有以下的优势：(1)力控制回路在位置控制回路的外层，力控制的输出作为位置控制的输入，因此双臂机器人均工作在位置方式，无需改变现有的控制器；(2)主臂工作采用阻抗控制，能够保证板材安装的位置精度要求，并且具有柔顺性能，避免因接触力过大造成主臂与末端执行器损坏；(3)从臂采用阻抗模型和模糊控制系统相结合的控制策略，其中模糊逻辑系统用来调节刚度系数，实现位置和力的柔顺。

附图说明

图1表示双臂机器人协作控制框图。

图2为主臂与从臂之间的约束关系示意图，其中(a)为主臂抓取点与板材中心的位置约束关系，(b)为主臂抓取点与从臂抓取点的位置约束关系。

图3为双臂机器人力位混合控制框图，其中(a)为主臂控制原理图，(b)为从臂控制原理图。

图4为输入输出变量模糊化隶属度函数，其中(a)接触力误差的隶属度，用E来表示；(b)表示接触力误差变化量的隶属度，用EC来表示，(c)表示刚度偏移系数的隶属度，用U来表示。

图5为从臂的控制结构框图。

图6为从臂的系统硬件结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

图1为本发明的一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法原理图，其中主臂工作在位置控制方式，采用阻抗控制方式，实现主臂与板材的运动过程平稳，避免因接触力过大造成主臂与末端执行器损坏。从臂同样工作在位置控制方式，通过在每个周期内读取主臂的位置与方位，同时由从臂末端的六维力传感器实时检测接触力，采用基于阻抗和模糊控制结合的力位混合控制方法，使得安装过程平稳；位置安装精度主要通过主臂控制实现。其具体过程如下：

S1、在给出期望的主臂位置后，根据主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据以及期望位置设计主臂-板材阻抗控制器，计算出主臂末端指令位置；根据编码器获得的主臂末端位置数据和主臂-从臂位置约束关系，计算出从臂的期望位置。

本发明中，主臂的输入是期望位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，主臂-板材阻抗控制器采用阻抗方法；从臂的输入是采集的主臂末端实际位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，从臂位置控制器采用变刚度控制方法。

参考图2中(a)所示，根据板材中心在笛卡尔空间中的期望位置向量x_d0，基于主臂末端相对于板材中心的位置向量以及它们之间的位置变换关系，可计算出主臂的期望位置x_d1。

图2中(b)示出了主臂抓取点与从臂抓取点的位置约束关系，根据主臂末端位置数据和该约束关系，即可计算出从臂的期望位置。

参考图3中(a)所示，主臂末端指令位置的计算方法：首先对主臂抓取板材建立阻抗模型，其次根据主臂的关节角度编码器测量的角度信息，依据主臂的正运动学方程，计算出主臂末端的实时位置；然后根据主臂末端的六维力传感器测得的实时接触力和阻抗模型，计算出主臂位移的偏移量；最后将主臂位置偏移量与主臂期望位置相加，即得到主臂的指令位置。

S2、使用从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，通过模糊逻辑系统将从臂与板材间的接触力或力矩信息转化为从臂-板材阻抗模型中的刚度偏移系数。

具体地，本步骤中，首先根据从臂末端的六维力传感器采集到的接触力以及接触力期望值，求出接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f：

e_f＝f_t-f_d

其中f_t是从臂末端的六维力传感器采集到的接触力，f_d是接触力期望值，e_f的变化范围为[-f_d,f_tmax-f_d]，f_tmax为从臂末端的六维力传感器采集到的最大接触力。

然后通过设定离散论域和隶属度函数，对接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f进行模糊化，并按照刚度偏移系数模糊推理规则，求出刚度偏移系数的模糊值；最后根据阻抗偏移系数清晰化计算，得到刚度偏移系数ΔK。

具体地，将接触力误差e_f分成7个模糊集E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，采用高斯隶属度函数；接触力误差变化量Δe_f的变化范围为[-2f_tmax,2f_tmax]。

如图4所示，以板材运动的x方向为例，接触力误差e_f在x方向要求的论域范围为[e_fxmin,e_fxmax]，e_fxmin和e_fxmax为整数，例如e_fxmin＝-5，e_fxmax＝5。论域e_fx变换方法为：

将x方向的接触力误差e_fx及误差变化量Δe_fx的模糊值作为输入，通过建立模糊规则进行运算，从而得到刚度偏移系数的模糊值。

将刚度偏移系数同样分成7个模糊集E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，采用高斯隶属度函数，刚度偏移系数在x方向的清晰值k_x0的变化范围为[k_xmin,k_xmax]，k_xmin和k_xmax为整数，例如k_xmin＝-3和k_xmax＝3。实际输出值即x方向的刚度偏移系数ΔK_x的变化范围为[ΔK_xmin,ΔK_xmax]，ΔK_xmin和ΔK_xmax表示刚度偏移系数在x方向的最小和最大值，取值为设定刚度偏移系数的0～2倍，采用线性变换的方法计算ΔK_x：

同理计算其余方向的刚度偏移系数，最后将各方向的刚度偏移系数组成对角矩阵得到刚度偏移系数ΔK。

S3、根据从臂的接触力期望值、从臂-板材阻抗模型和刚度偏移系数，利用从臂末端的六维力传感器采集到的实时接触力数据，设计从臂-板材变阻抗控制算法，从而求取从臂的位移偏移量，并进一步获得从臂的指令位置。

具体地，参考图3中(b)及图5，对从臂末端抓取板材运动的位置/力采用变阻抗的控制方法，建立如下的阻抗模型：

其中，F_d2是从臂的期望接触力，F_e2是从臂末端的六维力矩传感器采集到的接触力，e₂表示从臂的位置补偿量，也即由阻抗模型得到的修正位姿。M₂、B₂和K₂是从臂-板材间阻抗模型的惯性、阻尼和刚度矩阵，ΔK是刚度偏移系数，由步骤S2计算得到。

根据e₂和通过主从约束关系求得的从臂末端的期望位置x_d2，计算从臂在笛卡尔坐标系的输入轨迹，即从臂的指令位置x_r2：

x_r2＝x_d2-e₂

通过运动学逆解将从臂在笛卡尔空间的期望轨迹转化为关节空间的角度q_r2，送给从臂位置控制器。图6表示从臂的硬件控制结构，由力位误差算法、控制计算机、机器人控制器和从臂组成。

本发明提出的一种面向板材安装的双臂机器人力位混合控制方法可以完成高精度的位置安装任务，同时在与环境接触时能达到良好的力控制效果，具有可操作性强、位置误差小和板材运动过程平稳的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在给出期望的主臂位置后，根据主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据以及期望位置设计主臂-板材阻抗控制器，计算出主臂末端指令位置；根据编码器获得的主臂末端位置数据和主臂-从臂位置约束关系，计算出从臂的期望位置；

S2、使用从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，通过模糊逻辑系统将从臂与板材间的接触力或力矩信息转化为从臂-板材阻抗模型中的刚度偏移系数，方法如下：

首先根据从臂末端的六维力传感器采集到的接触力以及接触力期望值，求出接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f；然后对接触力误差e_f以及接触力误差变化量Δe_f进行模糊化，并按照刚度偏移系数模糊推理规则，求出刚度偏移系数的模糊值；最后根据阻抗偏移系数清晰化计算，得到刚度偏移系数ΔK；

所述接触力误差e_f的计算公式为：

e_f＝f_t-f_d

其中f_t是从臂末端的六维力传感器采集到的接触力，f_d是接触力期望值，e_f的变化范围为[-f_d，f_tmax-f_d]，f_tmax为从臂末端的六维力传感器采集到的最大接触力，接触力误差分成7个模糊集E＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，采用高斯隶属度函数；接触力误差变化量Δe_f的变化范围为[-2f_tmax，2f_tmax]；

在板材运动的x方向，接触力误差e_f在x方向要求的论域范围为[e_fxmin，e_fxmax]，e_fxmin和e_fxmax为整数，论域e_fx0变换方法为：

将x方向的接触力误差e_fx及误差变化量Δe_fx的模糊值作为输入，通过建立模糊规则进行运算，从而得到刚度偏移系数的模糊值；

刚度偏移系数同样分成7个模糊集E＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，采用高斯隶属度函数，刚度偏移系数在x方向的清晰值k_x0的变化范围为[k_xmin，k_xmax]，k_xmin和k_xmax为整数，实际输出值即x方向的刚度偏移系数；ΔK_x的变化范围为[ΔK_xmin，ΔK_xmax]，ΔK_xmin和ΔK_xmax表示刚度偏移系数在x方向的最小和最大值，取值为设定刚度偏移系数的0～2倍，采用线性变换的方法计算ΔK_x：

同理计算其余方向的刚度偏移系数，最后将各方向的刚度偏移系数组成对角矩阵得到刚度偏移系数ΔK；

S3、根据从臂的接触力期望值、从臂-板材阻抗模型和刚度偏移系数，利用从臂末端的六维力传感器采集到的实时接触力数据，设计从臂-板材变阻抗控制算法，从而求取从臂的位移偏移量，并进一步获得从臂的指令位置，方法如下：

对从臂末端抓取板材运动的位置/力采用变阻抗的控制方法，从臂的指令位置x_r2的计算公式为：

其中，F_d2是从臂的期望接触力，F_e2是从臂末端的六维力矩传感器采集到的接触力，x_d2是从臂末端的期望位置，e₂表示从臂的位置补偿量，M₂、B₂和K₂是从臂-板材间阻抗模型的惯性、阻尼和刚度矩阵，ΔK是刚度偏移系数，由S2计算得到。

2.根据权利要求1所述面向建筑板材安装的双臂机器人力位混合控制方法，其特征在于，

主臂的输入是期望位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和主臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，主臂-板材阻抗控制器采用阻抗方法；

从臂的输入是采集的主臂末端实际位置，反馈数据是角度编码器测量的机器人角度信息和从臂末端的六维力传感器采集到的接触力数据，从臂-板材变阻抗控制算法采用变刚度控制方法。