[发明专利]一种基于关节位置控制器的机器人末端力控制方法

说明书

本发明一种基于关节位置控制器的机器人末端力控制方法，将机器人末端与目标之间的接触力作为输入，基于机器人的关节位置控制器，通过对机器人各关节的角度控制实现对机器人末端的力控制，包括根据机器人末端运动的起点和终点位置，及机器人逆运动学方程，计算与机器人末端位置对应的机器人各关节起始和终止角度；根据得到的机器人各关节起始和终止角度，及多项式插值方程，计算机器人各关节运动的连续角度函数；根据得到的各关节运动的连续角度函数，及机器人末端所受的接触力，计算机器人关节位置控制器控制信号。该方法既保证了机器人末端运动的位置精度，又避免了机器人末端与外界的接触力过大，并可以通过控制参数设定接触力大小。

技术领域

本发明涉及一种基于位置控制的力控制方法，尤其涉及一种基于关节位置控制器的机器人末端力控制方法。

背景技术

机器人的多数操作任务是通过各关节的位置控制使其末端与目标接触完成的，如果接触力过大，会导致机器人本体或目标损坏，因此在机器人作业过程中，如何保持末端与目标接触并控制接触力是机器人能否顺利完成操作任务的关键问题之一。

为了使机器人末端与目标接触并保持一定的接触力，以往的方法可以分为三类。一类方法是根据目标的几何形状设计具有一定柔性的机器人末端专用装置；另一类方法是利用具有力控制功能的机器人关节控制器，控制机器人末端与目标之间的接触力；还有一类方法是直接测量机器人末端与目标之间的接触力，通过实时的机器人逆运动学或者逆动力学解算，对机器人末端的位置或速度进行修正。

现有的机器人末端力控制方法中，为机器人末端加装专用柔性装置由于要求装置的柔性必须与目标匹配，所以该方法比较局限，而且研制成本较高；具有力控制功能的机器人关节控制器技术尚不成熟，系统实现困难；基于机器人逆运动学或者动力学实时解算的力控制方法严重依赖于算法的可靠性，并且运算量较大。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有机器人力控制技术不能直接应用于一般机器人的问题，提供一种利用机器人自身的关节位置控制器实现机器人末端力控制方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于关节位置控制器的机器人末端力控制方法，包括以下步骤：

1)将期望的机器人末端运动的起点位置矢量p_o和终点位置矢量p_t，代入机器人的逆运动学方程，分别计算得出机器人每个关节运动的起始角度矢量θ_o和终止角度矢量θ_t；

2)根据步骤1)得到的每个关节运动的起始角度矢量θ_o和终止角度矢量θ_t，通过多项式插值计算得出连续的关节运动角度函数，函数输入为时间计数t，函数输出为关节角度θ(t)；

3)设定期望接触力f_d，其中期望接触力f_d包括最大期望接触力f_dmax和最小期望接触力f_dmin；

4)接触力控制环节将机器人末端与目标的实际接触力f与步骤3设定的期望接触力f_d比较，如果f>f_dmax，则时间计数t增加Δt，Δt为机器人控制指令的执行周期；如果f<f_dmin，则时间计数t减小Δt；如果f_dmin≤f≤f_dmax，则时间计数t不变，即

5)将步骤4)得到的时间计数t，代入到步骤2)得到的关节运动角度函数，计算得出期望关节角度θ；

6)将步骤5)得到期望关节角度θ作为控制指令发送给机器人的关节位置控制器，关节位置控制器根据控制指令控制机器人各关节运动。