一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，首先在机械臂末端和末端执行器之间设置被动柔顺装置，并构建被动柔顺装置的物理模型以及确定模型参数，之后基于主动柔顺控制模型的期望轨迹结合被动柔顺装置确定的位移补偿量，实现基于主被动柔顺的大刚度环境下的机械臂轴向力控制。本发明专利技术的方法通过被动柔顺部件的引入，解决了传统导纳控制面对大刚度环境系统易发生不稳定的问题，实现了机械臂在大刚度环境下作业柔顺性和精确性的统一，在根本上解决了导纳控制只适用于小刚度环境下的局限性，与环境参数估计方法结合可以解决未知时变环境下的精确力控制问题，具有良好的应用前景以及价值。具有良好的应用前景以及价值。具有良好的应用前景以及价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法


[0001]本专利技术属于机械臂柔顺控制领域，特别是一种基于主被动柔顺结合的大刚度 环境下轴向力控制方法。

技术介绍

[0002]传统工业机械臂的控制策略主要是位置控制，它们大多应用于结构化的工作 场景中，比如说结构化的作业车间以及一些不需要与作业对象接触的工作比如说 喷漆等。但是随着机械臂的应用越来越广泛，接触性任务的占比也越来越高，比 如打磨工件，轴孔装配等，传统的位置控制已经不能够满足作业需求。由此，众 多学者提出了柔顺控制的解决方案，其中柔顺控制又可以具体划分为被动柔顺和 主动柔顺，被动柔顺主要是在机械臂末端加装能够吸收多余能量的弹性机械结构， 当机械臂与环境接触时，该结构可以表现出一定的柔顺能力使得机械臂的末端执 行器位姿能够很好适应于作业环境，但是这种方法的缺点在于无法精确控制接触 力的大小，同时依旧存在损坏工件以及机械臂的可能性。由此，上世纪70年代 起提出了主动柔顺的控制策略，其主要可分为导纳控制和阻抗控制。考虑到传统 工业机械臂一般都具有精确的位置伺服以及较为合适的价格，同时导纳控制不需 要了解机械臂精确的动力学模型，因此导纳控制使用的更为常见并且具备更大的 推广价值。
[0003]导纳控制策略是在位置伺服内环的基础上加上力控制外环，但这需要位置控 制内环的带宽远大于力控制外环的带宽，但是实际的机械臂位置伺服内环的带宽 是有限的，当环境刚度达到一定数值，会导致力外环的带宽比机械臂位置伺服内 环的带宽大，即力外环响应的比位置内环响应的快，这会破坏整个系统的稳定性， 造成实际系统发生振荡；同时微小的位置伺服误差造成的挤压可能会导致巨大的 力突变，从而损坏工作对象以及机械臂，甚至是伤害到周围的工作人员。这也就 是为什么传统的导纳控制只适用于小刚度的作业环境，为了解决这样的问题，部 分研究人员将主动柔顺和被动柔顺进行了结合，被动柔顺用于缓冲冲击过程，主 动柔顺用来吸收冲击过程的剩余能量，这种方法在处理足式机械臂平稳触地这类 不需要精确力控制的问题时简单实用，但是依旧无法解决需要精确力控精度的问 题，因为被动柔顺部件的引入给机械臂工具末端的位置带来了不确定性，而导纳 控制的本质就是通过调整末端位置的合理参考轨迹来达到精确的力控制精度，也 就是说在这种思路下柔顺性和精确性是不可以兼容的。
[0004]基于上述情况，目前迫切需要一种新的柔顺控制方法，能够使得传统位置伺 服机械臂面对大刚度环境可以实现精确的力控制。但是现有技术中尚无相关描述。

技术实现思路

[0005]基于以上所述的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于主被动柔顺结合的大 刚度环境下轴向力控制方法，实现了机械臂在大刚度环境下作业柔顺性和精确性 的统一，在根本上解决了传统导纳控制只适用于小刚度环境的局限性，进而使得 传统位置伺服型机
械臂在大刚度环境下可以实现精确的力控制。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0007]一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、在机械臂末端和末端执行器之间设置被动柔顺装置；
[0009]步骤2、构建被动柔顺装置的物理模型，并确定模型参数；
[0010]步骤3、确定机械臂末端执行器的末端期望轨迹，即机械臂末端执行器的末 端主动柔顺控制模型；
[0011]步骤4、基于步骤3的主动柔顺控制模型以及步骤2中的物理模型对机械臂 指令位置进行位移补偿，实现基于主被动柔顺的大刚度环境下的机械臂轴向力控 制。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0013](1)本专利技术的技术方案采用了主动柔顺方法结合被动柔顺，被动柔顺部件 的引入相当于“软化”了环境，减小了力外环的带宽，避免了因为力外环带宽比 位置伺服内环的带宽大，即力外环响应的比位置内环响应快，从而保证了传统位 置控制型机械臂在导纳控制下面对大刚度环境的稳定性；
[0014](2)本专利技术的技术方案通过构建被动柔顺装置的精确物理模型，并利用得 到的模型对机械臂指令位置进行位移补偿，实现了机械臂在大刚度环境下作业柔 顺性和精确性的统一，在根本上解决了导纳控制的局限性，进而使得传统位置伺 服机械臂面对大刚度环境可以实现精确的力控制；
[0015](3)本专利技术的技术方案构建的被动柔顺装置的精确物理模型参数辨识实验 简单且具有易操作性，只需要给定机械臂预定的指令轨迹，收集过程中的传感器 数据即可得到对应的模型参数，具有很高的推广价值。
[0016]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法步骤 流程图。
[0018]图2为本专利技术使用的被动柔顺装置Solidwork装配示意图。
[0019]图3为本专利技术的被动柔顺装置受力分析示意图。
[0020]图4为本专利技术的被动柔顺装置物理模型参数辨识示意图。
[0021]图5为本专利技术的被动柔顺装置物理模型惯量参数辨识是机械臂指定轨迹示 意图。
[0022]图6为本专利技术的被动柔顺装置确定的轴向位移补偿框图。
[0023]图7为本专利技术的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制框图。
[0024]图8为本专利技术的实施例中的使用的被动柔顺装置实物示意图。
[0025]图9为本专利技术的实施例中的小刚度环境下传统阻抗控制与本专利技术方法力控 制效果对比示意图。
[0026]图10本专利技术的实施例中的大刚度环境下传统阻抗控制与本专利技术方法力控制 效果对比示意图。
具体实施方式
[0027]结合图1，一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，包括 以下步骤：
[0028]步骤1、在机械臂末端和末端执行器之间设置被动柔顺装置，具体为：
[0029]所涉及到的被动柔顺部件在本质上可以简化为弹簧
‑
阻尼
‑
质量系统，可以通 过动力学理论快速建立对应的物理模型，并通过实验确定模型的参数；
[0030]所述被动柔顺装置如图2所示，包括：分别与机械臂末端的六维力传感器以 及末端执行器相连接的被动柔顺部件，两侧部件之间设置弹性部件以及阻尼部件。
[0031]步骤2、构建被动柔顺装置的物理模型，并确定模型参数，具体为：
[0032]步骤2
‑
1、由于可以通过对力传感器进行调零消除工具自重的影响，因此， 不考虑末端工具的重力，具体受力分析如图3所示；
[0033]构建被动柔顺装置的物理模型，具体为：
[0034]基于整体法，对末端系统进行受理分析，得到：
[0035][0036]采用隔离法，对m1分析，得到：
[0037][0038]对m2分析，得到：
[0039][0040]其中，F1为机械臂末端的力传感器的轴向数据，F2为末端执行器与大刚度 环境之间的轴向接触力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在机械臂末端和末端执行器之间设置被动柔顺装置；步骤2、构建被动柔顺装置的物理模型，并确定模型参数；步骤3、确定机械臂末端执行器的末端期望轨迹，即机械臂末端执行器的末端主动柔顺控制模型；步骤4、基于步骤3的主动柔顺控制模型以及步骤2中的物理模型对机械臂指令位置进行位移补偿，实现基于主被动柔顺的大刚度环境下的机械臂轴向力控制。2.根据权利要求1所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，其特征在于，所述步骤1中的被动柔顺装置为：所述被动柔顺装置包括：分别与机械臂末端的六维力传感器以及末端执行器相连接的被动柔顺部件，两侧部件之间设置弹性部件以及阻尼部件。3.根据权利要求2所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，其特征在于，所述步骤2中的构建被动柔顺装置的物理模型及其参数，具体为：步骤2
‑
1、构建被动柔顺装置的物理模型；步骤2
‑
2、根据辨识实验确定物理模型的具体参数。4.根据权利要求3所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，其特征在于，所述步骤2
‑
1中的构建被动柔顺装置的物理模型，具体为：1中的构建被动柔顺装置的物理模型，具体为：1中的构建被动柔顺装置的物理模型，具体为：其中，F1为机械臂末端的力传感器的轴向数据，F2为末端执行器与大刚度环境之间的轴向接触力，X
c
为机械臂末端的实际位置，L为未与大刚度环境接触前，被动柔顺装置与末端执行器的原长，X是末端执行器的实际位置，ΔX＝X
c
+L
‑
X为被动柔顺装置与大刚度环境接触后的压缩量，k为被动柔顺装置内的弹性部件的弹性参数，b为被动柔顺装置的阻尼参数，m1表示与机械臂末端固连一侧的被动柔顺部件的质量，m2为与末端执行器一侧连接的被动柔顺部件和末端执行器的总质量。5.根据权利要求4所述的基于主被动柔顺结合的大刚度环境下轴向力控制方法，其特征在于，所述步骤2
‑
2中的确定物理模型的具体参数，具体为：步骤2
‑2‑
1、将末端执行器贴住大刚度环境，但不产生挤压，记录此时的机械臂末端的位置X
co
；步骤2
‑2‑
2、机械臂末端缓慢挤压被动柔顺部件ΔX，待六维力传感器示数稳定后，测量此时的力传感器沿轴向的数据，并多次测量取平均值F
α
；步骤2
‑2‑
3、机械臂末端以单位速度压缩被动柔顺部件，测量压缩ΔX时的六维力传感器沿轴向的数据，并多次测量取平均值F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：余朝宝，李建平，高鼎峰，周宇航，戴豪杰，郭毓，周慧，詹腾达，许铭轩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：