CN117245667A - 一种基于零力控制的人机协作打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于零力控制的人机协作打磨方法，系统包括上位机、机器人，机器人包括机械臂，机械臂各个关节之间设有角度传感器，机械臂端部设有力传感器、末端执行器，在机械臂末端构建一个阻抗控制模型，首先在打磨场景中，使机器人在阻抗控制方向上表现出零重力的顺应性，末端执行器按照打磨所需的位置轨迹进行运动，在上位机中通过程序记录末端执行器途径轨迹点的三维空间坐标，形成机器人打磨运动路径；然后，机械臂由上位机控制，控制末端执行器按打磨运动路径自主进行打磨。

Description

一种基于零力控制的人机协作打磨方法

技术领域

本发明属于打磨机器人控制技术领域，具体涉及一种基于零力控制的人机协作打磨方法。

背景技术

在打磨领域，对作业的柔性要求较高，若采用刚性过强的机械打磨方式，很容易对工件表面造成难以弥补的损伤。人工打磨可以实现灵活精细的力控制，但是存在操作可重复性差、对操作工人身心健康产生负面影响等问题。相比之下，利用机械臂进行自动化打磨虽然可以实现高精度的重复定位运动，但由于工件细节复杂，仅依靠视觉传感器很难准确观测各个区域的具体情况，这为实现有效的闭环控制带来困难，使得打磨领域完全实现自动化仍面临挑战。

因此，研究人与机械臂良好协作的打磨方式，实现人的经验与灵活性与机械臂的高重复精度的有效结合双方的优势，从而实现高质量、高效率的打磨作业，是当前的一个研究热点和发展方向。

在这种人机协作模式中，如果能够采用对作业过程实时反馈敏感、可以实现柔顺交互的零力控制策略，可以有效降低自动化打磨过程中的刚性，避免对工件的损伤，从而大大提高打磨的柔性与安全性。因此开发基于零力控制的人机协作打磨方法，是当前一个非常关键的技术课题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于零力控制的人机协作打磨方法，解决打磨作业人员在打磨过程中出现的过打磨问题，防止对工件造成不可逆的损伤。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于零力控制的人机协作打磨方法，系统包括上位机、机器人，机器人包括机械臂，机械臂各个关节之间设有角度传感器，机械臂端部设有力传感器、末端执行器，其特征在于：

在机械臂末端构建一个阻抗控制模型：

式中，M_d，B_d，K_d分别代表惯性，阻尼，刚度矩阵，ΔF为力偏差，Δx为位置偏差，为Δx的导数，/>为Δx的二次导数；

ΔF＝F_r-F_d (2)

式中，F_r为末端执行器与环境的接触力，F_d为末端执行器与环境之间的期望接触力；

Δx＝x_r-x_c (3)

式中，x_r为末端执行器的实际位置，x_c代表末端执行器在空间坐标系中的指令位置，代表机器人的期望位置；

首先在打磨场景中，当期望位置x_c为一个常量，F_d为0时，即机器人静止在某一位置时，当机器人受到阻抗控制方向上施加一个力时，阻抗控制模型变成如下形式：

将弹性系数K_d设为0，机器人在阻抗控制方向上表现出零重力的顺应性，末端执行器按照打磨所需的位置轨迹进行运动，在上位机中通过程序记录末端执行器途径轨迹点的三维空间坐标，形成机器人打磨运动路径；

然后，机械臂由上位机控制，控制末端执行器按打磨运动路径自主进行打磨，当控制机器人在自由空间运动时，末端执行器与环境的接触力F_r为0，因此阻抗控制的形式可以写为：

此时将F_d设置为0，那么位置修正量Δx也变成了0，此时阻抗控制就变成了位置控制，机器人的实际位置x_r也会跟随期望位置x_c的变化而变化；

当机器人在打磨场景下，在力传感器的测量下可以得到ΔF，通过阻抗控制模型，计算出Δx，进一步生成x_c，通过逆运动学解算每个关节的运动角度，然后下发给机器人伺服电机进行执行，通过正运动学，得到新的末端位置；

下一时刻的即/>计算方式为：

式中，dt为机械臂的一个控制周期；

同理，下一时刻的Δx，即Δx(t+1)的计算方式为：

至此，得到了机械臂下一时刻的位置修正量Δx(t+1)，与期望位置叠加后生成机械臂的实际位置x_r，执行产生阻抗控制效果。

本发明具有以下有益效果：

(1)可以实现高精度、高柔性的打磨力控制，避免对工件过度打磨从而造成不可恢复的损伤；

(2)打磨作业人员的经验和打磨技巧可以通过示教的方式传授给机器人，提高打磨质量，并且打磨作业人员可以根据实时反馈的打磨效果进行干预，防止打磨过程中出现问题，具有更高的可靠性与安全性；

(3)具有一定的环境适应性，能处理工件表面形状变化等不确定情况，可以实现柔性化的小批量打磨，满足个性化需求，不必重新编程，提高了打磨的效率；

(4)降低了对精确动力学模型和环境信息的依赖性，简化了自动打磨前期的准备过程。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于零力控制的人机协作打磨方法结构示意图。

其中：1为机械臂，2为角度传感器，3为力传感器，4为夹持机构，5为打磨头，6为待加工元件，7为操作员。

图2为本发明实施例的一种基于零力控制的人机协作打磨方法控制原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。

本实施例的基于零力控制的人机协作打磨系统如图1所示，包括机器人、上位机，机器人包括机械臂1，机械臂1各个关节之间设有角度传感器2，机械臂1端部设有力传感器3、夹持机构4，夹持机构4与末端执行器即打磨头5相对固定，操作员7通过移动打磨头5对待加工元件6进行打磨。

如图2所示，基于零力控制的人机协作打磨方法为，在机械臂1末端构建一个弹簧质量阻尼模型，一般地，在时域下阻抗关系用微分方程表示为：

式中，M_d，B_d，K_d分别代表惯性，阻尼，刚度矩阵，可以通过设置不同的值来达到不同的阻抗控制效果，F(t)是机器人与环境间的接触力，x(t)代表末端执行器的实际位置，x_c(t)代表末端执行器在空间坐标系中的指令位置，代表机器人的期望轨迹。

通过分析可以看出，无法在控制机器人末端执行器位置的同时控制机器人与环境之间交互的力，只能控制末端执行器位置和交互力符合特定的阻抗关系。为了将阻抗控制应用到控制机器人和环境之间的力为恒力的场景下，具备直接跟踪力的能力，将期望力F_d引入到目标阻抗中，将原始的阻抗函数改写成如下形式：

式中，F_d是机器人与环境之间的期望接触力，F_e是机器人与环境之间的实际接触力。

由上式可知，在期望力加入到期望阻抗函数中后，当末端执行器的实际位置趋近于指令位置时，实际接触力F_e将收敛到期望力F_d。

现有的工业机器人位置控制精度较高，可以直接将机器人的控制位置x_r代替上式中的实际位置，故上式可以改写成如下形式：

进一步地，将上式简化，改写成如下形式：

式中，ΔF为力偏差，计算公式如下：

ΔF＝F_r-F

Δx为位置偏差，计算公式如下：

Δx＝x_r-x_c

在打磨场景下，在力传感器3的测量下可以得到ΔF，通过阻抗控制模型，可以计算出Δx，进一步生成x_c，通过逆运动学解算每个关节的运动角度，然后下发给机器人伺服电机进行执行，通过正运动学，得到新的末端位置。

打磨对于机器人响应的实时性要求较高，在上位机进行计算时需要尽可能简化处理步骤，缩短处理时间，找出这一时刻和下一时刻的Δx之间的关系，下一时刻的计算方式为：

采用直接积分法对进行解算，下一时刻的/>计算方式为：

式中，dt为机械臂1的一个控制周期，一般地机械臂1的控制周期在毫秒级。

同理，下一时刻的Δx计算方式为：

至此，得到了机械臂1下一时刻的位置修正量Δx，与期望位置叠加后生成机械臂1的控制位置x_c，将其发送给伺服电机进行执行，产生阻抗控制效果。

当机器人在自由空间运动时，末端执行器与环境的接触力F_r为0，因此阻抗控制的形式可以写为：

如果此时期望力F_d也设置为0，那么位置修正量Δx也变成了0，此时阻抗控制就变成了位置控制，机器人的实际位置x_r也会跟随期望位置x_c的变化而变化。

当期望位置x_c为一个常量，F_d为0时，即机器人静止在某一位置时，当外界环境(比如操作者)给机器人阻抗控制方向上施加一个力时，阻抗控制模型变成如下形式：

此时当弹性系数K_d为0时，机器人能够在阻抗控制方向上表现出零重力的顺应性，这样操作者便可以在一个零重力环境中移动机器人末端，实现手动拖动示教的功能。

将此功能应用到打磨场景中，在零力控制下，打磨作业人员移动末端执行器按照打磨所需的位置轨迹进行运动，在上位机中通过程序记录机器人途径轨迹点的三维空间坐标，形成机器人打磨运动路径，然后操作员7离开工作现场，机械臂1自主进行打磨，大大缩短了确定轨迹点的时间，提升了打磨效率。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于零力控制的人机协作打磨方法，系统包括上位机、机器人，机器人包括机械臂，机械臂各个关节之间设有角度传感器，机械臂端部设有力传感器、末端执行器，其特征在于：

在机械臂末端构建一个阻抗控制模型：

式中，M_d，B_d，K_d分别代表惯性，阻尼，刚度矩阵，ΔF为力偏差，Δx为位置偏差；

ΔF＝F_r-F_d (2)

式中，F_r为末端执行器与环境的接触力，F_d为末端执行器与环境之间的期望接触力；

Δx＝x_r-x_c (3)

式中，x_r为末端执行器的实际位置，x_c代表末端执行器在空间坐标系中的指令位置，代表机器人的期望位置；

首先在打磨场景中，当期望位置x_c为一个常量，F_d为0时，即机器人静止在某一位置时，当机器人受到阻抗控制方向上施加一个力时，阻抗控制模型变成如下形式：

将弹性系数K_d设为0，机器人在阻抗控制方向上表现出零重力的顺应性；

末端执行器按照打磨所需的位置轨迹进行运动，在上位机中通过程序记录末端执行器途径轨迹点的三维空间坐标，形成机器人打磨运动路径；

然后，机械臂由上位机控制，控制末端执行器按打磨运动路径自主进行打磨，当控制机器人在自由空间运动时，末端执行器与环境的接触力F_r为0，因此阻抗控制的形式可以写为：

此时将F_d设置为0，那么位置修正量Δx也变成了0，此时阻抗控制就变成了位置控制，机器人的实际位置x_r也会跟随期望位置x_c的变化而变化；

当机器人在打磨场景下，在力传感器的测量下得到ΔF，通过阻抗控制模型，计算出Δx，进一步生成x_c，通过逆运动学解算每个关节的运动角度，然后下发给机器人伺服电机进行执行，通过正运动学，得到新的末端位置；

下一时刻的计算方式为：

式中，dt为机械臂的一个控制周期；

同理，下一时刻的Δx计算方式为：

至此，得到了机械臂下一时刻的位置修正量Δx(t+1)，与期望位置叠加后生成机械臂的实际位置xr，执行产生阻抗控制效果。