WO2021139373A1 - 一种机械臂混杂控制方法、装置及系统 - Google Patents

一种机械臂混杂控制方法、装置及系统 Download PDF

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WO2021139373A1
WO2021139373A1 PCT/CN2020/126367 CN2020126367W WO2021139373A1 WO 2021139373 A1 WO2021139373 A1 WO 2021139373A1 CN 2020126367 W CN2020126367 W CN 2020126367W WO 2021139373 A1 WO2021139373 A1 WO 2021139373A1
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robotic arm
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contact force
control
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楼旭阳
吴炜
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    • B25J9/16—Programme controls
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of hybrid control, in particular to a robotic arm hybrid control method, a robotic arm hybrid control device, and a robotic arm hybrid control system including the robotic arm hybrid control device.
  • Robotic arm is an automated device that replaces manual labor to complete certain monotonous, frequent and repetitive long-term operations in industrial production. It performs monitoring, grasping, handling, or operating tools in accordance with set procedures, trajectories and requirements.
  • the control method of the manipulator is generally divided into PID (proportional-integral-derivative control, proportional-integral-derivative control) control, fuzzy control, adaptive control and neural network control.
  • PID proportional-integral-derivative control, proportional-integral-derivative control
  • fuzzy control and neural network control have a large amount of calculation.
  • the hardware requirements of the controller are high, which brings a greater burden to the cost of the industrial robotic arm; while the adaptive control algorithm has high requirements for the identification accuracy of the model, which is greatly affected by external interference, and the control effect is not As expected.
  • the robot arm In the working scene of the robot arm, especially in the process of opening some workpieces by the robot arm, the robot arm will generally receive a greater impact when contacting the working environment, which may cause the robot arm to tremble, reduce the service life, and sometimes It may make the robot arm unable to run stably, and the traditional single PID control cannot effectively complete the control task.
  • the invention provides a robotic arm hybrid control method, a robotic arm hybrid control device, and a robotic arm hybrid control system including the robotic arm hybrid control device, which solves the problem that the robotic arm cannot operate stably in the related art.
  • a hybrid control method of a robotic arm which includes:
  • the obtaining the contact force between the execution end of the mechanical arm and the workpiece to be processed includes:
  • ⁇ represents the amount of deformation, wherein the amount of deformation is the amount of deformation in the normal direction of the contact surface between the execution end of the robot arm and the workpiece to be processed, k c represents the rigidity coefficient, and b c represents the damping coefficient.
  • the force controller is configured to implement force control on the execution end of the mechanical arm according to the first control signal, including:
  • the force controller is used to reduce the force of the execution end of the mechanical arm
  • the force controller is used to keep the current force of the execution end of the mechanical arm unchanged.
  • the position controller is configured to maintain the current position control of the execution end of the robot arm according to the second control signal, including:
  • the position controller is used to control the execution end of the mechanical arm to move toward the workpiece to be processed.
  • a robotic arm hybrid control device which includes:
  • the acquisition module is used to acquire the contact force between the execution end of the robotic arm and the workpiece to be processed
  • a judging module for judging whether the contact force is greater than a switching threshold
  • the first control signal output module is configured to output a first control signal to a force controller if the contact force is greater than the switching threshold, wherein the force controller is used to implement control of the machine according to the first control signal. Force control on the executive end of the arm;
  • the second control signal output module is configured to output a second control signal to a position controller if the contact force is equal to the switching threshold, wherein the position controller is configured to maintain the current control signal according to the second control signal. Position control of the execution end of the robotic arm.
  • a robotic arm hybrid control system which includes: a spherical coordinate robot, a driving mechanism, a force controller, a position controller, and the aforementioned robotic arm hybrid control device.
  • the force control Both the position controller and the position controller are communicatively connected with the mechanical arm hybrid control device, and the force controller and the position controller are both connected with the spherical coordinate robot through a driving mechanism.
  • the spherical coordinate robot includes a supporting base and a mechanical arm arranged on the supporting base, and the mechanical arm can swing in a vertical plane or move in a horizontal plane.
  • the drive mechanism includes a force drive mechanism and a position drive mechanism.
  • the force drive mechanism can drive the mechanical arm to swing in a vertical plane under the control of the force controller.
  • the robot arm is driven to move in a horizontal plane under the control of the position controller.
  • both the force drive mechanism and the position drive mechanism include a drive motor.
  • the contact force of the actuator end of the robotic arm is obtained, and the control signal for the robotic arm is determined according to the comparison of the contact force and the switching threshold.
  • the contact force is greater than the switching threshold, the force control of the robotic arm is equal to
  • the threshold is switched, the position of the robot arm is controlled.
  • This control method by switching the control mode of the mechanical arm can avoid the unstable situation caused by the sudden large impact force of the mechanical arm. Therefore, the mixed control method of the mechanical arm can effectively solve the unstable operation in the prior art.
  • the problem has the advantage of preventing the tremor of the manipulator and increasing the service life of the manipulator.
  • Fig. 1 is a flowchart of a method for controlling hybridization of a robotic arm provided by the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the structure of the spherical coordinate system robot arm provided by the present invention.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the robot arm in the workspace coordinate system provided by the present invention.
  • Fig. 4 is a schematic diagram of switching control between a force controller and a position controller provided by the present invention.
  • Fig. 5 is a diagram of the motion phase trajectory of the mechanical arm under the control parameters provided by the present invention.
  • Fig. 6 is a phase trajectory diagram of the mechanical arm provided by the present invention in response to different Gaussian noises.
  • FIG. 1 is a flowchart of the method for hybridization control of a robotic arm according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the method includes:
  • S120 Determine whether the contact force is greater than a switching threshold
  • the contact force of the actuator end of the robotic arm is obtained, and the control signal for the robotic arm is determined according to the comparison of the contact force and the switching threshold.
  • the contact force is greater than the switching threshold, the force control of the robotic arm is equal to
  • the threshold is switched, the position of the robot arm is controlled.
  • This control method by switching the control mode of the mechanical arm can avoid the unstable situation caused by the sudden large impact force of the mechanical arm. Therefore, the mixed control method of the mechanical arm can effectively solve the unstable operation in the prior art.
  • the problem has the advantage of preventing the tremor of the manipulator and increasing the service life of the manipulator.
  • the unit of the switching threshold is the same as the unit of the contact force, that is, the control mode of the robot arm is determined by judging the magnitude of the contact force.
  • the switching threshold is usually 0.
  • the contact force is equal to 0, that is, there is no contact force, it means that the robotic arm has not yet contacted the workpiece to be processed, and is still in the process of moving to the workpiece to be processed. It is necessary to maintain the position control of the robotic arm, that is, control the robotic arm to move toward the workpiece to be processed.
  • the contact force is greater than 0, it means that the robotic arm is in contact with the workpiece to be processed and has a force on the workpiece to be processed, thereby generating the contact force between the robotic arm and the workpiece to be processed. Therefore, this process requires force on the robotic arm. Control to prevent the instability of the machining process caused by excessive force of the mechanical arm.
  • Figure 2 shows the working schematic diagram of a spherical coordinate manipulator.
  • the manipulator can telescopically move inside and out, swing in a vertical plane and move in a horizontal plane around the base. Because the working space of this type of robot forms a part of a spherical surface, it is called a spherical coordinate robot.
  • the characteristics of this type of robot are: small footprint, compact structure, acceptable position accuracy, but poor obstacle avoidance performance, balance problems, and the need to avoid tremor of the mechanical arm. Therefore, the above-mentioned hybrid control method of the robot arm is suitable for the spherical coordinate robot, so that the tremor of the robot arm can be eliminated.
  • the obtaining the contact force between the execution end of the robotic arm and the workpiece to be processed includes:
  • the contact force model is:
  • ⁇ represents the amount of deformation, wherein the amount of deformation is the amount of deformation in the normal direction of the contact surface between the execution end of the robot arm and the workpiece to be processed, k c represents the rigidity coefficient, and b c represents the damping coefficient.
  • the telescopic motion of the entire spherical coordinate robot in the horizontal plane is considered through the action of the telescopic arm and the working environment.
  • the working environment here specifically refers to the surface of the workpiece to be processed, that is, if the robotic arm touches the surface of the workpiece to be processed, it means that the robotic arm is in contact with the working environment. If it does not touch the surface of the workpiece to be processed, it means that the robotic arm does not touch the working environment.
  • m is the mass of the robot arm 10
  • F is the input resultant force to the robot arm 10
  • a is the acceleration of the robot arm 10 movement.
  • x-axis Take the telescopic direction of the manipulator 10 as the x-axis, the extension direction as the positive direction, and a point on the work environment surface as the origin to establish coordinates, as shown in FIG. 3.
  • f c is the contact force between the execution end of the robotic arm 10 and the working environment.
  • the embodiment of the present invention adopts the contact force model, which can save the cost of the sensor.
  • the contact force model is as follows:
  • ⁇ represents the amount of deformation, wherein the amount of deformation is the amount of deformation in the normal direction of the contact surface between the execution end of the robot arm and the workpiece to be processed, k c represents the rigidity coefficient, and b c represents the damping coefficient.
  • z 1 is the position of the execution end of the robotic arm 10
  • z 2 is the speed
  • the force controller is configured to implement force control on the execution end of the robotic arm according to the first control signal, including:
  • the force controller is used to reduce the force of the execution end of the mechanical arm
  • the force controller is used to keep the current force of the execution end of the mechanical arm unchanged.
  • the position controller is configured to maintain the current position control of the execution end of the robotic arm according to the second control signal, including:
  • the position controller is used to control the execution end of the mechanical arm to move toward the workpiece to be processed.
  • control logic of the force controller and the position controller can be designed.
  • a proportional feedforward controller is used, and the force controller outputs:
  • the PD controller is used, and the output of the position controller:
  • z [z 1 z 2 ] T , Indicates the set target position, k p >0 and k d >0 indicate the control parameters of the position controller to be designed.
  • controller output can be marked as:
  • the stream set and:
  • the damping coefficient b c 0.3 Ns/mm.
  • ⁇ 1 0.61N
  • ⁇ 2 1.98N
  • Figure 6 depicts the phase trajectory diagram when there is noise in the contact force f c .
  • the variances of the added Gaussian noise are 0.1, 0.5, and 0.8 respectively, and the mechanical arm can still operate stably.
  • the hybrid control method of the robotic arm provided by the embodiment of the present invention has the following advantages: (1) For the situation where the robotic arm will suddenly receive a large impact force, or even be unstable, the embodiment of the present invention The provided robotic arm hybrid control method can effectively solve the stability problem; (2) The robotic arm hybrid control method provided by the embodiment of the present invention is different from general position switching, improves the robustness of the system, and can deal with measurement noise.
  • a robotic arm hybrid control device which includes:
  • the acquisition module is used to acquire the contact force between the execution end of the robotic arm and the workpiece to be processed
  • the judgment module is used to judge whether the contact force is greater than or equal to the switching threshold
  • the first control signal output module is configured to output a first control signal to a force controller if the contact force is greater than or equal to the switching threshold, wherein the force controller is used to realize the alignment of the force according to the first control signal.
  • the execution end of the robotic arm performs force control;
  • the second control signal output module is configured to output a second control signal to the position controller if the contact force is less than the switching threshold, wherein the position controller is used to maintain the current control signal to the position controller according to the second control signal. Position control of the execution end of the robotic arm.
  • the contact force of the actuator end of the robotic arm is obtained, and the control signal for the robotic arm is determined according to the comparison between the contact force and the switching threshold.
  • the contact force is greater than the switching threshold, the force control of the robotic arm is equal to
  • the threshold is switched, the position of the robot arm is controlled.
  • This control device by switching the control mode of the mechanical arm can avoid the unstable situation caused by the sudden large impact force of the mechanical arm. Therefore, the mixed control device of the mechanical arm can effectively solve the unstable operation in the prior art.
  • the problem has the advantage of preventing the tremor of the manipulator and increasing the service life of the manipulator.
  • a robotic arm hybrid control system which includes: a spherical coordinate robot, a driving mechanism, a force controller, a position controller, and the aforementioned robotic arm hybrid control device. Both the controller and the position controller are communicatively connected with the robotic arm hybrid control device, and the force controller and the position controller are both connected with the spherical coordinate robot through a driving mechanism.
  • the robotic arm hybrid control system obtaineds the contact force of the actuator end of the robotic arm by using the foregoing robotic arm hybrid control device, and determines the control signal for the robotic arm based on the comparison of the contact force and the switching threshold.
  • the force control is performed on the mechanical arm, and when the force is equal to the switching threshold, the mechanical arm is controlled in position.
  • This control system by switching the control mode of the mechanical arm can avoid the unstable situation caused by the sudden large impact force of the mechanical arm. Therefore, the mixed control system of the mechanical arm can effectively solve the unstable operation in the prior art.
  • the problem has the advantage of preventing the tremor of the manipulator and increasing the service life of the manipulator.
  • the spherical coordinate robot includes a supporting base 20 and a mechanical arm 10 arranged on the supporting base 20, and the mechanical arm 10 can swing in a vertical plane or move in a horizontal plane.
  • the driving mechanism includes a force driving mechanism and a position driving mechanism.
  • the force driving mechanism can drive the mechanical arm to swing in a vertical plane under the control of the force controller.
  • the robot arm is driven to move in a horizontal plane under the control of the position controller.
  • both the force drive mechanism and the position drive mechanism include a drive motor.
  • the movement or swing of the mechanical arm can be realized by driving the work of the mechanical arm by the driving motor, so as to realize the operation of the workpiece to be processed.
  • mechanical arm can also be driven by other driving methods, which are specifically known to those skilled in the art, and will not be repeated here.

Abstract

一种机械臂（10）混杂控制方法、机械臂混杂控制装置及系统，涉及混杂控制技术领域。其中，机械臂混杂控制方法包括：获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；判断接触力是否大于切换阈值；若接触力大于切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中力控制器用于根据第一控制信号实现对机械臂的执行端进行力控制；若接触力等于切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中位置控制器用于根据第二控制信号保持当前对机械臂的执行端的位置控制。机械臂混杂控制方法能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤、提高机械臂使用寿命的优势。

Description

一种机械臂混杂控制方法、装置及系统 技术领域
本发明涉及混杂控制技术领域，尤其涉及一种机械臂混杂控制方法、机械臂混杂控制装置及包括该机械臂混杂控制装置的机械臂混杂控制系统。
背景技术
机械臂是一种在工业生产中代替人工完成某些单调、频繁和重复的长时间作业的自动化装置，按照设定的程序、轨迹和要求执行监控、抓取、搬运工作或操持工具进行操作。机械臂的控制方法一般由PID(proportional-integral-derivative control，比例积分微分控制)控制、模糊控制、自适应控制以及神经网络控制几种，其中模糊控制和神经网络控制的计算量较大，对控制器的硬件要求较高，这给工业机械臂的成本带来了较大的负担；而自适应控制算法对模型的辨识精确度有较高的要求，受外部干扰影响较大，控制效果不尽如人意。在机械臂的工作场景中，尤其是在通过机械臂对一些加工工件进行开模过程中，机械臂接触工作环境一般会受到较大冲击力，这有可能导致机械手臂震颤，减少使用寿命，也有可能使得机械臂不能稳定运行，传统的单一PID控制并不能有效的完成控制任务。
发明内容
本发明提供了一种机械臂混杂控制方法、机械臂混杂控制装置及包括该机械臂混杂控制装置的机械臂混杂控制系统，解决相关技术中存在的机械臂不能稳定运行的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种机械臂混杂控制方法，其中，包括：
获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
判断所述接触力是否大于切换阈值；
若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
进一步地，所述获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力，包括：
建立接触力模型；
获取机械臂的执行端的形变量；
将所述形变量代入所述接触力模型计算所述接触力。
进一步地，所述接触力模型为：
Figure PCTCN2020126367-appb-000001
其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，k c表示刚性系数，b c表示阻尼系数。
进一步地，所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制，包括：
在所述接触力大于或者等于预设最大接触力时，所述力控制器用于降低所述机械臂的执行端的力；
在所述接触力小于所述预设最大接触力时，所述力控制器用于保持当前的所述机械臂的执行端的力不变。
进一步地，所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制，包括：
所述位置控制器用于控制所述机械臂的执行端朝向所述待加工工件移动。
作为本发明的另一个方面，提供一种机械臂混杂控制装置，其中，包括：
获取模块，用于获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
判断模块，用于判断所述接触力是否大于切换阈值；
第一控制信号输出模块，用于若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
第二控制信号输出模块，用于若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
作为本发明的另一个方面，提供一种机械臂混杂控制系统，其中，包括：球面坐标机器人、驱动机构、力控制器、位置控制器和前文所述的机械臂混杂控制装置，所述力控制器和所述位置控制器均与所述机械臂混杂控制装置通信连接，所述力控制器和所述位置控制器均通过驱动机构与所述球面坐标机器人连接。
进一步地，所述球面坐标机器人包括支撑底座和设置在所述支撑底座上的机械臂，所述机械臂能够做垂直平面的摆动或者在水平面内移动。
进一步地，所述驱动机构包括力驱动机构和位置驱动机构，所述力驱动机构能够在所述力控制器的控制下驱动所述机械臂做垂直平面的摆动，所述位置驱动机构能够在所述位置控制器的控制下驱动所述机械臂在水平面内移动。
进一步地，所述力驱动机构和所述位置驱动机构均包括驱动电机。
通过上述机械臂混杂控制方法，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制方法能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制方法能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下 面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的机械臂混杂控制方法的流程图。
图2为本发明提供的球面坐标系机械臂的结构示意图。
图3为本发明提供的工作空间坐标系下机械臂简图。
图4为本发明提供的力控制器与位置控制器切换控制示意图。
图5为本发明提供的控制参数下的机械臂运动相轨迹图。
图6为本发明提供的机械臂应对不同高斯噪声下的相轨迹图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种机械臂混杂控制方法，图1是根据本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法的流程图，如图1所示，包括：
S110、获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
S120、判断所述接触力是否大于切换阈值；
S130、若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
S140、若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
通过上述机械臂混杂控制方法，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制方法能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制方法能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。
应当理解的是，所述切换阈值的单位与接触力的单位相同，即通过判断接触力的大小决定对机械臂的控制方式。
还应当理解的是，该切换阈值通常为0，在接触力等于0，即不存在接触力时，说明机械臂还未与待加工工件接触，还处于向待加工工件的移动过程中，此时需要保持对机械臂的位置控制，即控制机械臂朝向待加工工件进行移动。当接触力大于0时，说明机械臂与待加工工件接触，并对所述待加工工件有作用力，从而产生机械臂与待加工工件的接触力，因此，该过程需要对机械臂进行力的控制，以防止机械臂的力过大等导致加工过程的不稳定。
图2所示，为一个球面坐标机械臂的工作示意图。机械臂能够做里外伸缩移动，在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内移动，因为这种形式的机器人的工作空间形成球面的一部分，故称为球面坐标机器人。这类机器人的特点是：占地面积小，结构紧凑，位置精度还可以，但是避障性能较差，存在平衡问题，更需要避免机械臂的震颤。因此，上述机械臂混杂控制方法适用于该球面坐标机器人，从而可以消除机械臂的震颤。
具体地，所述获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力，包括：
建立接触力模型；
获取机械臂的执行端的形变量；
将所述形变量代入所述接触力模型计算所述接触力。
进一步具体地，所述接触力模型为：
Figure PCTCN2020126367-appb-000002
其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，k c表示刚性系数，b c表示阻尼系数。
本发明实施例，通过伸缩手臂与工作环境的作用，考虑整个球面坐标机器人在水平面内的伸缩运动。
需要说明的是，此处所述工作环境具体指的是待加工工件的表面，即机械臂接触到所述待加工工件的表面，则为所述机械臂接触到工作环境，若所述机械臂未接触到待加工工件的表面，则为所述机械臂未接触到工作环境。
为了方便获取机械臂的接触力，首先建立机械臂10的数学模型。
机械臂10的伸长缩短运动满足牛顿第二定律：ma＝F。
其中，m是机械臂10的质量，F是对机械臂10的输入合力，a是机械臂10运动的加速度。以机械臂10伸缩方向作为x轴，以伸长方向为正方向，并以工作环境表面一点作为原点建立坐标，如图3所示。记机械臂10的端点坐标x。显然当x<0时，表示机械臂10未碰到工作环境；当x＝0，表示刚好接触工作环境。f c是机械臂10的执行端与工作环境的接触力，本发明实施例采用接触力模型，可以省去传感器的成本。接触力模型如下：
Figure PCTCN2020126367-appb-000003
其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，k c表示刚性系数，b c表示阻尼系数。
进一步，记z 1为机械臂10的执行端的位置，z 2为其速度，得到：
Figure PCTCN2020126367-appb-000004
其中，
Figure PCTCN2020126367-appb-000005
具体地，所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制，包括：
在所述接触力大于或者等于预设最大接触力时，所述力控制器用于降低所述机械臂的执行端的力；
在所述接触力小于所述预设最大接触力时，所述力控制器用于保持当前的所述机械臂的执行端的力不变。
具体地，所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制，包括：
所述位置控制器用于控制所述机械臂的执行端朝向所述待加工工件移动。
需要说明是，根据上述力控制器和位置控制器的功能描述，可以设计力控制器和位置控制器的控制逻辑。
具体地，对于力控制器，采用比例前馈控制器，力控制器输出：
Figure PCTCN2020126367-appb-000006
其中，
Figure PCTCN2020126367-appb-000007
表示设定的目标接触力，且
Figure PCTCN2020126367-appb-000008
表示允许的最大接触力，表示待设计的力控制器的控制参数。
对于位置控制器，采用PD控制器，位置控制器输出：
Figure PCTCN2020126367-appb-000009
其中，z＝[z 1 z 2] T，
Figure PCTCN2020126367-appb-000010
表示设定的目标位置，k p>0和k d>0表示待设计的位置控制器的控制参数。
根据上述设计，结合图4所示，用q标记控制器，其中q＝0表示位置控制器，q＝1表示力控制器，具体地：
只有当q＝0且f c≥γ 2，逻辑变量q才由0变成1；
只有当q＝1且f c≤γ 1，逻辑变量q才由1变成0；
其他情况q保持不变。
则控制器输出可以标记为：
Figure PCTCN2020126367-appb-000011
根据
Figure PCTCN2020126367-appb-000012
和
Figure PCTCN2020126367-appb-000013
建立闭环系统混杂模型：
Figure PCTCN2020126367-appb-000014
Figure PCTCN2020126367-appb-000015
其中，流集
Figure PCTCN2020126367-appb-000016
并且：
Figure PCTCN2020126367-appb-000017
跃集
Figure PCTCN2020126367-appb-000018
并且：
Figure PCTCN2020126367-appb-000019
令
Figure PCTCN2020126367-appb-000020
考虑力控制器控制下的李雅普洛夫函数：
Figure PCTCN2020126367-appb-000021
其中，
Figure PCTCN2020126367-appb-000022
表示选定的正定对角阵，设计如下几个参数：
Figure PCTCN2020126367-appb-000023
Figure PCTCN2020126367-appb-000024
Figure PCTCN2020126367-appb-000025
Figure PCTCN2020126367-appb-000026
作为一种具体地实施方式，球面坐标机械臂10臂的质量m＝1kg，机械臂工作环境的刚性系数k c＝10N/mm，阻尼系数b c＝0.3Ns/mm。在本实施例中，选取期望的接触力
Figure PCTCN2020126367-appb-000027
得到
Figure PCTCN2020126367-appb-000028
构造P f矩阵，其中a＝2，b＝0.01，c＝0.06， 根据上述计算得到
Figure PCTCN2020126367-appb-000029
本实施例选取γ 1＝0.61N，γ 2＝1.98N，
Figure PCTCN2020126367-appb-000030
k p＝2，k d＝0.5。
如图5所示，机械臂10后面阶段以恒力5稳定到0.5处，并且没有发生震颤。图6描述了在接触力f c存在噪声时的相轨迹图，添加的高斯噪声的方差分别是0.1、0.5、0.8，机械臂仍然可以稳定运行。
综上，本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法，与现有技术相比，具有以下优点：(1)对机械臂会突然受到较大冲击力，甚至不稳定的情况，本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法可以有效的解决稳定问题；(2)本发明实施例提供的机械臂混杂控制方法有别于一般的按照位置切换，提高了系统的鲁棒性，能够应对测量噪声。
作为本发明的另一实施例，提供一种机械臂混杂控制装置，其中，包括：
获取模块，用于获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
判断模块，用于判断所述接触力是否大于或者等于切换阈值；
第一控制信号输出模块，用于若所述接触力大于或者等于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
第二控制信号输出模块，用于若所述接触力小于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
通过上述机械臂混杂控制装置，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制装置能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制装置能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。
关于本发明实施例提供的机械臂混杂控制装置的工作原理可以参照前文的机械臂混杂控制方法的描述，此处不再赘述。
作为本发明的另一实施例，提供一种机械臂混杂控制系统，其中，包括：球面坐标机器人、驱动机构、力控制器、位置控制器和前文所述的机械臂混杂控制装置，所述力控制器和所述位置控制器均与所述机械臂混杂控制装置通信连接，所述力控制器和所述位置控制器均通过驱动机构与所述球面坐标机器人连接。
本发明实施例提供的机械臂混杂控制系统，通过采用前文的机械臂混杂控制装置，获取机械臂的执行端的接触力，根据该接触力与切换阈值的比较决定对机械臂的控制信号，在接触力大于切换阈值时，对机械臂进行力控制，等于切换阈值时，对机械臂进行位置控制。这种通过切换机械臂的控制方式的控制系统能够避免机械臂突然受到较大的冲击力导致的不稳定的情况出现，因此该机械臂混杂控制系统能够有效的解决现有技术中的不稳定运行的问题，具有防止机械臂震颤提高机械臂使用寿命的优势。
具体地，如图2所示，所述球面坐标机器人包括支撑底座20和设置在所述支撑底座20上的机械臂10，所述机械臂10能够做垂直平面的摆动或者在水平面内移动。
关于球面坐标机器人的工作过程描述可以参照前文的描述，此处不再赘述。
具体地，所述驱动机构包括力驱动机构和位置驱动机构，所述力驱动机构能够在所述力控制器的控制下驱动所述机械臂做垂直平面的摆动，所述位置驱动机构能够在所述位置控制器的控制下驱动所述机械臂在水平面内移动。
优选地，所述力驱动机构和所述位置驱动机构均包括驱动电机。
应当理解的是，通过驱动电机驱动机械臂的工作可以实现机械臂的移动或摆动，以实现对待加工工件的操作。
还应当理解的是，还可以通过其他驱动方式对机械臂进行驱动，具体为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种机械臂混杂控制方法，其特征在于，包括：
    获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
    判断所述接触力是否大于切换阈值；
    若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
    若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
  2. 根据权利要求1所述的机械臂混杂控制方法，其特征在于，所述获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力，包括：
    建立接触力模型；
    获取机械臂的执行端的形变量；
    将所述形变量代入所述接触力模型计算所述接触力。
  3. 根据权利要求2所述的机械臂混杂控制方法，其特征在于，所述接触力模型为：
    Figure PCTCN2020126367-appb-100001
    其中，ξ表示所述形变量，其中所述形变量为所述机械臂的执行端与待加工工件的接触面法线方向上的形变量，k c表示刚性系数，b c表示阻尼系数。
  4. 根据权利要求1所述的机械臂混杂控制方法，其特征在于，所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制，包括：
    在所述接触力大于或者等于预设最大接触力时，所述力控制器用于降低所述机械臂的执行端的力；
    在所述接触力小于所述预设最大接触力时，所述力控制器用于保持当前的所述机械臂的执行端的力不变。
  5. 根据权利要求1所述的机械臂混杂控制方法，其特征在于，所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制，包括：
    所述位置控制器用于控制所述机械臂的执行端朝向所述待加工工件移动。
  6. 一种机械臂混杂控制装置，其特征在于，包括：
    获取模块，用于获取机械臂的执行端与待加工工件之间的接触力；
    判断模块，用于判断所述接触力是否大于切换阈值；
    第一控制信号输出模块，用于若所述接触力大于所述切换阈值，则向力控制器输出第一控制信号，其中所述力控制器用于根据所述第一控制信号实现对所述机械臂的执行端进行力控制；
    第二控制信号输出模块，用于若所述接触力等于所述切换阈值，则向位置控制器输出第二控制信号，其中所述位置控制器用于根据所述第二控制信号保持当前对所述机械臂的执行端的位置控制。
  7. 一种机械臂混杂控制系统，其特征在于，包括：球面坐标机器人、驱动机构、力控制器、位置控制器和权利要求6所述的机械臂混杂控制装置，所述力控制器和所述位置控制器均与所述机械臂混杂控制装置通信连接，所述力控制器和所述位置控制器均通过驱动机构与所述球面坐标机器人连接。
  8. 根据权利要求7所述的机械臂混杂控制系统，其特征在于，所述球面坐标机器人包括支撑底座和设置在所述支撑底座上的机械臂，所述机械臂能够做垂直平面的摆动或者在水平面内移动。
  9. 根据权利要求8所述的机械臂混杂控制系统，其特征在于，所述驱动机构包括力驱动机构和位置驱动机构，所述力驱动机构能够在所述力控制器的控制下驱动所述机械臂做垂直平面的摆动，所述位置驱动机构能够在所述位置控制器的控制下驱动所述机械臂在水平面内移动。
  10. 根据权利要求9所述的机械臂混杂控制系统，其特征在于，所述力驱动机构和所述位置驱动机构均包括驱动电机。
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