CN108115690A - 一种机器人自适应控制***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种机器人自适应控制***，机器人设有采集接触工件力度的力传感器，所述力传感器实时将力信号输送至上位机控制器，所述上位机控制器将修正位姿信号输送至机器人控制器，所述机器人控制器输出机器人的实时位姿信号至上位机控制器。本发明机器人自适应控制***和方法中，自适应阻抗控制算法较简单，适用于各种加工过程，可根据具体加工要求和工艺，采用更精确的自适应阻抗控制算法，提高力控制精度。

Description

一种机器人自适应控制***和方法
技术领域
本发明涉及工业机器人力控制加工领域，并可扩展用到机床力控制加工领域。
背景技术
机器人加工过程中，末端工具与工件的偏差产生接触力，较大的接触力易对机器人和工件造成损伤，接触力的大小影响着加工的精度，进而影响加工的质量，仅仅通过机器人位置控制***达不到任务要求。
经典力控制理论阻抗控制方法，机器人和环境间的作用力与位置偏差看作一个动态***，建立两者之间的关系模型，通过控制机器人末端位移间接控制末端作用力，使得接触力跟踪期望接触力。
经典阻抗控制方法中，阻抗参数是固定不变的，而实际加工过程中，环境动力学模型是变化的，需要调整阻抗参数，采用力自适应控制的方法。现有技术的自适应控制方法算法复杂，大都仅局限于理论仿真阶段，不能应用于工程实践；或仅适用于简单的平面规划，不能进行空间的控制过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种能够精确、可靠的控制自适应力的***和方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种机器人自适应控制***，机器人设有采集接触工件力度的力传感器，所述力传感器实时将力信号输送至上位机控制器，所述上位机控制器将修正位姿信号输送至机器人控制器，所述机器人控制器输出机器人的实时位姿信号至上位机控制器。
所述机器人为打磨机器人，所述力传感器为采集机器人的工作部与工件表面的接触面法向力的采集单元。
基于所述机器人自适应控制***的控制方法：
1)上位机控制器将获取的实时力信号与设定标准值比较，获得法向偏差力△F；
2)根据法向偏差力△F和机器人当前位姿进行阻抗控制；
3)利用阻抗控制并基于机器人当前位置的参考位置点，得到当前位姿修正点；
4)控制机器人运动到当前位姿修正点；
5)对当前位姿修正点进行自适应评估得到自适应阻抗；
6)利用自适应阻抗并基于机器人下一位置点预设参考位置，得到位置修正点；
7)将位置修正点补偿至机器人下一位置点，并基于原参考位置进行位置修正补偿得到新参考位置。
步骤1)-步骤7)循环执行，针对机器人的下一位置点进行自适应阻抗控制，机器人位移到新的位置点时，执行补偿后的新的参考位置。
所述2)的阻抗控制根据预设的阻抗参数获得。
所述自适应阻抗控制，根据预设参考点和位置修正点的位置和法向力，估算环境刚度Ke；再根据额定法向力Fr，估算环境位置Xe，所述位置修正补偿根据算环境位置和环境刚度通过期望力计算得到。
本发明机器人自适应控制***和方法中，自适应阻抗控制算法较简单，适用于各种加工过程，可根据具体加工要求和工艺，采用更精确的自适应阻抗控制算法，提高力控制精度。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为自适应控制***框图；
图2为自适应控制方法流程图；
图3为机器人空间坐标中的实现过程示意图；
图4为机器人打磨力自适应控制过程中经典阻抗控制线条图；
图5为机器人打磨力自适应控制过程中经自适应阻抗控制线条图。
具体实施方式
自适应阻抗控制方法分为：阻抗参数的自适应调整和环境参数的估算两种，都是在控制过程中对已产生的力和位置进行分析，通过一系列的运算过程，推导下一点的环境模型，不断调整，完成控制过程。对环境参数估算的自适应控制方法进行改进，使其能应用于机器人空间的控制过程。
如图1所示,控制***采用集中控制的方式，上位机控制器连接力传感器，接收实时力信息，经自适应控制方法计算出修正量；机器人控制器作为下位机向上位机控制器发送实时位姿信息，并接收修正的位姿信息修改当前的运动轨迹，控制机器人进行法向力恒定加工。
如图2所示，自适应阻抗控制算法，虽然阻抗参数也是固定的，但是可在线估算环境位置和环境刚度，通过期望力计算得到参考位置，再进行阻抗控制。轨迹规划的总体思路是对当前参考位置点进行阻抗控制，得到位置修正点，该点是基于参考位置点修正得到的，精度较高，控制机器人运动到该点，并在该点处自适应估算参考位置，对一下初始点进行位置补偿，得到参考位置，控制机器人运动到下一参考位置，循环进行当前点修正、下一点补偿的过程。
如图3所示，自适应阻抗控制策略，根据参考点和位置修正点的位置和法向力，估算环境刚度Ke；再根据额定法向力Fr，估算环境位置Xe，即可完成自适应调整过程。在机器人空间坐标中的实现过程，位置修正点是由参考点修正得到的，其向量为法向向量，计算参考点和修正点的空间距离，再与两点的法向力差值相除，得到估算的环境刚度；再根据额定法向力，可以得到该法向力下与参考点的距离，由于方向向量一致，可以得到该法向力下的点，即为估算的环境位置；计算该点与初始点(试教点)的距离，作为下一初始点的补偿，得到下一点的参考点，完成一次自适应修正过程。
在机器人加工过程中，力自适应控制***能适应环境的改变，保持加工过程力恒定，工件表面加工质量较高，效果良好，如图4所示，机器人打磨力自适应控制过程，7N额定法向力下的曲线，a为经典阻抗控制，b为自适应阻抗控制，可见，采用本方法波动更小，并且自适应阻抗控制算法较简单，适用于各种加工过程，可根据具体加工要求和工艺，采用更精确的自适应阻抗控制算法，提高力控制精度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器人自适应控制***，机器人设有采集接触工件力度的力传感器，其特征在于：所述力传感器实时将力信号输送至上位机控制器，所述上位机控制器将修正位姿信号输送至机器人控制器，所述机器人控制器输出机器人的实时位姿信号至上位机控制器。
2.根据权利要求1所述的机器人自适应控制***，其特征在于：所述机器人为打磨机器人，所述力传感器为采集机器人的工作部与工件表面的接触面法向力的采集单元。
3.基于权利要求1-3所述机器人自适应控制***的控制方法，其特征在于：
1)上位机控制器将获取的实时力信号与设定标准值比较，获得法向偏差力△F；
2)根据法向偏差力△F和机器人当前位姿进行阻抗控制；
3)利用阻抗控制并基于机器人当前位置的参考位置点，得到当前位姿修正点；
4)控制机器人运动到当前位姿修正点；
5)对当前位姿修正点进行自适应评估得到自适应阻抗；
6)利用自适应阻抗并基于机器人下一位置点预设参考位置，得到位置修正点；
7)将位置修正点补偿至机器人下一位置点，并基于原参考位置进行位置修正补偿得到新参考位置。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：步骤1)-步骤7)循环执行，针对机器人的下一位置点进行自适应阻抗控制，机器人位移到新的位置点时，执行补偿后的新的参考位置。
5.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于：所述2)的阻抗控制根据预设的阻抗参数获得。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述自适应阻抗控制，根据预设参考点和位置修正点的位置和法向力，估算环境刚度Ke；再根据额定法向力Fr，估算环境位置Xe，所述位置修正补偿根据算环境位置和环境刚度通过期望力计算得到。
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