[发明专利]考虑误差约束的打磨机器人力/位混合控制方法及系统

说明书

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。

技术领域

本公开属于工业机器人自动控制技术领域，尤其涉及打磨机器人力/位混合控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，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。

发明内容

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。