考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法及系统技术方案

本公开提出了考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法及系统，包括：建立打磨机器人末端执行器与环境间的接触力的模型；基于上述模型获得环境与机器人末端执行器之间的实际接触力，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，调整力控方向上的目标位置，使实际接触力能够跟踪目标接触力；通过工业机器人内部封装的高精度伺服驱动器实现位置控制。本发明专利技术考虑到实际打磨系统中，环境刚度的准确值难以获得，存在一定的不确定性，以及存在未知扰动等未建模动态，提出了机器人末端执行器与环境接触时的接触力模型，从而使接触力的描述更接近实际情况。本发明专利技术所提力/位混合控制方法可以实现准确的轨迹跟踪和力跟踪，并保证力跟踪误差始终在设定界限内。

【技术实现步骤摘要】
考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法及系统
本公开属于工业机器人自动控制
，尤其涉及打磨机器人力/位混合控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着近代工业的快速发展，单纯的人工操作已经无法满足生产需求，逐渐暴露出其不足之处。如今自动化水平不断提高，机器人的应用领域不断拓宽，在工业生产中也逐渐占据不可或缺的地位。在初期，机器人只需要完成一些要求精确位置控制的工作(如码垛、喷绘等)，随着更多接触类作业的出现(如打磨，抛光，装配，医疗等)，不仅对位置控制有一定的要求，还需要考虑机器人和环境之间的交互关系，即就是机器人柔顺性。柔顺性研究可分为被动柔顺和主动柔顺两种。主动柔顺(力控制)，就是利用反馈的信息，设计一定的控制策略，从而实现对位置和接触力的控制。近年来，诸多学者提出了许多种力控制方法，其中大部分可分为阻抗控制和力/位混合控制两类。力/位混合控制在期望方向上进行力控制，在剩余方向上进行位置控制。这样分别独立地进行力控制和位置控制，一方面使得实际应用中的控制器设计更具灵活性。在另一方面，我们分析常见接触类作业(打磨、抛光等)，可以发现需要控制的接触力一般垂直于工件表面，这也符合力/位混合控制的理论特点。起初，力/位混合控制方法是对机器人关节力矩直接进行设计，从而实现目标位置和目标力的跟踪。从理论上，这种方法是可行的，但考虑到现今工业机器人的以下实际情况：1)出于安全和保密考虑，厂家不对机器人关节力矩控制部分进行开源，用户不能访问。2)工业机器人(特别是高自由度机器人)的完整动力学无法精确获得，且模型过于复杂，很难用于控制器设计。那么直接对工业机器人的关节力矩进行控制似乎存在很大困难。在这样的情况下，一些不基于动力学模型的方法被提出。综上所述，本申请所针对的问题是：打磨机器人如何在实际生产中实现准确定位的同时达到跟踪目标力，并保证力跟踪误差在一定范围内，有效的实现机器人的精准打磨。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，能够实现准确的力跟踪，并确保力跟踪误差始终保持在预设的界限内。为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：第一方面，公开了考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，包括：建立打磨机器人末端执行器与环境间的接触力的模型；基于上述模型获得环境与机器人末端执行器之间的实际接触力，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，利用力控制器来调整力控方向上的目标位置，使实际接触力能够跟踪目标接触力。进一步的技术方案，获得力控方向上的目标位置后，通过设置选择矩阵，将位置控制子空间的目标轨迹与力控子空间中的目标位置相结合，得到力/位混合目标轨迹。进一步的技术方案，将力/位混合目标轨迹发送至打磨机器人，打磨机器人通过逆运动学得到目标关节角，而后通过打磨机器人内部封装的高精度伺服驱动器驱动关节到达目标角度，从而实现位置控制。再根据当前关节角，通过机器人正运动学，得到当前机器人末端执行器的实际轨迹和在力控方向上的位置。本公开方案中，首先考虑直接用简单的刚性模型来表示环境。在此基础上，考虑打磨机器人与环境接触过程中未知扰动等未建模动态，及环境刚度的准确值难以获得，建立了最终的接触力模型。进一步的技术方案，考虑未建模动态的所述接触力的模型，具体为：f(t)＝ks[xtf(t)-xe]+d(t),其中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数，f(t)表示实际接触力，ks是环境刚度，xtf(t)为力控方向上的机器人末端执行器位置，xe代表环境位置，d(t)为未知扰动等未建模动态。进一步的技术方案，基于实际生产中无法得到环境刚度的精确值，定义ks＝k+Δk，k是ks的标称值，Δk是未知的差值，则接触力的模型整理为f(t)＝k[xtf(t)-xe]+Δk[xtf(t)-xe]+d(t)＝k[xtf(t)-xe]+b(t),其中，b(t)表示模型的未知部分。进一步的技术方案，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，构建力控制器，力控制器为：其中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数，为简明起见，略去一些变量后面的(t)，sgn为符号函数，k为环境刚度的标称值，e是力跟踪误差，是e关于时间的一阶导数，fd表示目标接触力，是fd关于时间的一阶导数，α∈R+表示实际工业应用中力跟踪误差的预设界限，k0,k1均是正的控制增益，η是一个正的增益。此外，k1需要满足其中σ是一个正的上界常数。第二方面，公开了考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制系统，包括：模型构建模块，用于建立打磨机器人末端执行器与环境间的接触力的模型；力跟踪模块，用于基于上述模型获得环境与机器人末端执行器之间的实际接触力，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，调整力控方向上的目标位置，使实际接触力能够跟踪目标接触力。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：本专利技术考虑到实际打磨系统中，环境刚度的准确值难以获得，存在一定的不确定性，以及存在未知扰动等未建模动态，提出了机器人末端执行器与环境接触时的接触力模型，从而使接触力的描述更接近实际情况。本专利技术充分考虑机器人打磨时的实际情况，基于所建立的接触力模型，给出了一种考虑误差约束的力/位混合控制方法，特别地，提出了一种力控制器，能够实现准确的力跟踪，并确保力跟踪误差始终保持在预设的界限内。除此之外，本方法能够保证整个力控闭环系统的稳定性，适用于工业打磨、抛光等接触类机器人的轨迹跟踪和目标力跟踪。本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1是本专利技术的力/位混合控制方法的控制结构框图；图2是本专利技术所提力控方法的数值仿真结果，其中接触力和力跟踪误差分别对应f和e；图3是现有技术1在对比仿真中的数值仿真结果，其中接触力和力跟踪误差分别对应f和e；图4是现有技术2在对比仿真中的数值仿真结果，其中接触力和力跟踪误差分别对应f和e。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，其特征是，包括：/n建立打磨机器人末端执行器与环境间的接触力的模型；/n基于上述模型获得环境与机器人末端执行器之间的实际接触力，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，利用力控制器来调整力控方向上的目标位置，使实际接触力能够跟踪目标接触力。/n

【技术特征摘要】
1.考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，其特征是，包括：
建立打磨机器人末端执行器与环境间的接触力的模型；
基于上述模型获得环境与机器人末端执行器之间的实际接触力，根据实际接触力与目标接触力之间的误差，利用力控制器来调整力控方向上的目标位置，使实际接触力能够跟踪目标接触力。


2.如权利要求1所述的考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，其特征是，获得力控方向上的目标位置后，通过设置选择矩阵，将位置控制子空间的目标轨迹与力控子空间中的目标位置相结合，得到力/位混合目标轨迹。


3.如权利要求1所述的考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，其特征是，将力/位混合目标轨迹发送至打磨机器人，打磨机器人通过逆运动学得到目标关节角，而后通过打磨机器人内部封装的高精度伺服驱动器驱动关节到达目标角度，从而实现位置控制，再根据当前关节角，通过机器人正运动学，得到当前机器人末端执行器的实际轨迹和在力控方向上的位置。


4.如权利要求1所述的考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法，其特征是，所述接触力的模型，具体为：
f(t)＝ks[xtf(t)-xe]+d(t),
其中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数，f(t)表示实际接触力，ks是环境刚度，xtf(t)为力控方向上的机器人末端执行器位置，xe代表环境位置，d(t)为未知扰动等未建模动态。


5.如权利要求4所述的考虑误差约束的打磨机器人力/位...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宁，张程琳，邱泽昊，桑文闯，方勇纯，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12