[发明专利]一种基于阻抗控制的力控末端执行器振动抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于阻抗控制的力控末端执行器振动抑制方法，包括以下步骤：建立力控末端执行器的阻抗关系；基于动力学模型和力控末端执行器的阻抗关系，建立参考位置和力控末端执行器的传递函数关系；根据得出的传递函数关系设计阻抗匹配控制器；将位移信号和速度信号输入阻抗匹配控制器，所述速度信号由位移信号微分得出；将阻抗匹配控制器作用于工业机器人的力控流程中，利用阻抗匹配控制器对工业机器人输出力进行补偿。本发明解决了工业机器人携带力控末端执行器从非接触状态过渡到接触状态产生的振动和因非刚性的机器人手臂在低频下产生振动，解决了机器人系统因振动而无法稳定工作的问题。

技术领域

本发明涉及机器人阻抗控制领域，特别是涉及一种基于阻抗控制的力控末端执行器振动抑制方法。

背景技术

工业机器人与运动物体接触的过程包括非接触、接触过渡和接触三个部分，对于工业机器人与高速运动目标接触等存在较大冲击的应用，如磨抛，需要工业机器人具有一定的柔顺性。

目前的工业机器人磨抛工艺通常是由一个工业机器人和一个力控末端执行器组成的，具有高带宽和低阻抗的力控末端执行器安装在具有较高的灵活性和较大的工作空间的工业机器人的末端法兰。在工业机器人的操作任务中，工业机器人根据传统的位置控制，实现机械臂上力控末端执行器的位置和姿态控制，同时力控末端执行器实现了力控制。因此，工业机器人系统的柔顺性体现在力控末端执行器上，对于没有机械阻抗的力控末端执行器，建立一个期望的力控末端执行器与外界环境之间位置和接触力的动态响应关系是有必要的。

力控末端执行器包括直线电机，直线电机的定子和动子的端面分别固定有定平台和动平台，定子通过定平台与工业机器人的末端执行器连接法兰相固定，动平台上连接有力传感器。

工业机器人进行磨抛工艺时，力控末端执行器从非接触状态到接触状态直至最终稳定状态；在此过程中，力控末端执行器会产生巨大的冲击，因此会损坏工件表面而导致其达不到验收标准，另一方面，力控末端执行器产生巨大的冲击可能会破坏磨抛工具导致其工作寿命缩短。

目前，为克服力控末端执行器产生的冲击，常用的方法是针对力控末端执行器本身，例如从其结构上增加机械弹簧或机械阻尼器，通过改变结构能提高力控制响应，从而减小力控末端执行器末端的振动。但是由于机械结构一般是固定不变的，因此力控末端执行器的阻尼和刚度对于不同的工况均一致，即使实现变刚度的力控末端执行器，其结构也十分复杂。因此需要通过阻抗关系建立力控末端执行器的动平台与静平台之间位置和接触力的动态响应关系。

在控制中建立虚拟的阻抗关系，类似于实际物理系统中的弹簧或阻尼。工业机器人由于具有大惯量和低刚度的特征，其自然频率比较低，大约在十几赫兹。工业机器人低频下的振动都将通过耦合阻抗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，但这会让末端执行器的结构变得复杂。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CN102300680A的说明书公开了一种机器人手臂的控制方法，其中，当在基于示教回放控制的动作中切换到反馈控制时，抑制机器人手臂的振动。使用以下的控制方法来使机器人手臂进行动作，该控制方法包括如下步骤：根据存储在控制部的控制部内的程序的指示执行示教回放控制，沿着预先决定的路径移动机器人手臂；利用设在手臂上的工件识别单元识别工件的有无；以及在识别工件的同时，将所述控制部的程序从示教回放控制切换到基于非接触型阻抗控制法的反馈控制，追随工件来移动机器人手臂。通过使用非接触型阻抗控制法，抑制了控制切换时的机器人手臂的振动。该发明主要针对机器人手臂进行控制，通过非接触可识别端部执行器相对于工件的位置信息进行非接触型阻抗控制法。