[发明专利]一种减小磨抛振动的力控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种减小磨抛振动的力控制方法及装置，包括以下步骤：末端执行器与工件接触时，采集力信号和加速度信号，建立末端执行器的动态关系；基于动力学模型以及末端执行器的动态关系，通过最小二乘法得到工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息；依据所述工业机器人与末端执行器串联耦合部分的阻抗信息设计阻抗匹配控制器；将位移信号以及其一次微分信号输入到所述阻抗匹配控制器进行运算；将所述阻抗匹配控制器作用于末端执行器的力控制流程中，利用所述阻抗匹配控制器对工业机器人和末端执行器的输出力进行补偿。本发明在无需知道精确的工业机器人动力学的情况下，解决其因振动而导致力控末端执行器无法稳定磨抛的问题。

技术领域

本发明涉及机器人阻抗控制领域，特别是涉及一种减小磨抛振动的力控制方法及装置。

背景技术

在汽车、航空航天、医疗设备等行业，大多数金属工件是通过焊接、铸造和其他必要的加工过程形成的。最终它们需要抛光打磨以达到验收标准。传统的磨抛形式是手工抛光。然而，在磨抛过程中产生了大量的灰尘、腐蚀性的液体和噪声，这种工作环境对操作人员造成了一定的身体伤害，同时也很容易导致安全事故。

手工抛光也有着生产效率低、产品精度差和一致性差的缺点。这也是磨抛很难离开人工实现自动化的主要技术难点，工件的精度和一致性很大程度上取决于抛光工具和工件的接触面是否保持恒力。因此，在抛光过程中采用实时的力控制技术来控制接触力是十分重要的。

目前，机器人主要的力控制方法有两种：第一种是关节力控制，该方法是通过控制机器人关节的力或扭矩，实现了机械臂在操作空间的力控制，关节力控制的难点在于必须对机器人建立精确的动态模型，另一方面，传统的工业机器人由于大惯性、关节的柔性和传输系统的大量摩擦导致的力控制性能不佳，因此适合重载任务；第二种方法是使用外部力控单元(末端执行器)来实现力控制，通常采用在工业机器人上安装的末端法兰。虽然两种力控制方法的采用使机器人整体结构变得复杂，但它们都在保留了各自的优势。

力控末端执行器具有高带宽和低阻抗的特点，使工业机器人具有较高的灵活性和较大的工作空间。在机器人操作任务中，工业机器人根据传统的位置控制，可以实现机械臂末端位置和姿态的控制，而力控末端执行器实现了力控制。

工业机器人由于大惯量和低刚度的特性，自然频率比较低，大约为十几赫兹。由于非刚性工业机器人在低频率下会开始振动，可能会限制串联末端执行器的力控制性能，工业机器人的任何振动都将被传递到末端接触力，从而影响磨抛精度。

国内外一些学者通过智能材料和智能结构设计末端执行器来实现振动抑制，但这会导致末端执行器的设计复杂。还有一些学者通过修改工业机器人的控制架构来减小机械臂的振动，但是商用工业机器人的控制器通常是封装好的，使用者很难进行修改。

公开号为CN110861097A的说明书公开了一种减小机械臂振动的力控末端执行机构及其力控方法。所述力控末端执行机构包括与工业机器人连接的末端执行器，该末端执行器包括音圈电机、位移传感器及第一、第二传感器等；该音圈电机的动子、定子分别与滑块、直线导轨固定连接；该滑块与直线导轨滑动配合；该位移传感器用于检测动子与定子的相对位移；该力传感器用于测量末端执行器与工件表面接触力的大小；该第一传感器用于检测在工作时所述末端执行器与工件接触产生的加速度；该第二传感器用于检测在工作时所述工业机器人末端受到末端执行器反作用力而产生的加速度。该发明对工业机器人系统的动力学的精确度依赖较大，故所需传感器数量较多，可能导致力控末端执行机构的运行可靠性不高。