CN110421560A - 一种基于pid算法的协作机器人恒力按摩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法，包括以下步骤：安装设备；按下机器人示教器上的上电按钮，机器人控制***接电；在上位机上运行人机交互软件程序，启动人机界面，用户设定恒力按摩的恒力值与步进值；建立与上位机的通信通道；根据传感器测得的机器人末端的力值和力矩值算出位移补偿值和姿态补偿值；利用算出的补偿值修正机器人末端力；完成按摩，上位机停止运行，机器人停止运动。本发明按摩效果良好，人体舒适度较高。操作简单、实时性好，噪声小、安全性较高。在按摩过程中机器人能够自动调节位姿，智能化水平较高。受外部干扰影响小，鲁棒性好。

Description

一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法

技术领域

本发明涉及机器人示教方法，特别涉及一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法。

背景技术

为使机器人能够完成各种智能化、自动化作业任务，进行机器人示教、算法优化过程必不可少。传统的示教技术一般分为示教器示教、离线示教。示教器示教要求示教者通过示教器按照需要的轨迹将一个个坐标点输送给机器人，对于平面简单的轨迹此方法可以满足要求，但无法保证机器人轨迹及作用力大小的准确性及实时性，示教效率及精度都比较低。离线示教，是通过离线编程软件根据工作任务需求自动生成机器人的运动轨迹，编程效率较高，但需要相关的编程软件，且要求操作者对机器人运动学、动力学等相关知识比较了解。基于算法的上位机控制机器人运动可以弥补传统示教方法精度低，轨迹调节性差等缺点。能够明显提高实时性以及机器人末端作用力的准确度。提高生产效率及生产质量。

专利CN108762071A公开的“一种恒力研磨控制***及方法”通过压力传感器将实际研磨信号传输至工业计算机，采用了模糊控制算法实现恒力磨削。因为其需要精密的直线运动模组和研磨机，因此成本较高，设备较多，对操作者技术要求较高。另外对于其伺服电机精度要求较高。

专利CN108972545A公开的“一种基于模糊迭代算法的机器人恒力曲面跟踪方法”，包括以下步骤：(1)针对工业机器人末端执行器与曲面轮廓接触时的特征，建立曲面法向力和已知传感器坐标系的映射关系；(2)沿着未知曲面跟踪，初始控制算法为PD算法，得到初始轨迹和力参数；(3)根据实验中得到的力和期望的力的误差，设定机器人的运动轨迹初始改变量，同时根据上一次实验中力误差以及力误差变化量模糊补偿机器人的轨迹，两者之和为机器人的位移改变量；力误差为采集的力减去期望力；(4)迭代步骤(3)直到得到力和期望的力的误差在设定的阈值范围之内。此方法因其不断运算，迭代次数多而不能保证实时性。

专利CN108972546A公开的“一种基于强化学习的机器人恒力曲面跟踪方法”利用基于高斯模型推测的强化学习方法对控制器的参数进行优化。其主要针对迭代数据较小的情况下实现机器人恒力曲面跟踪的效果，因此通用性差，且受外界干扰影响过大。

专利CN205660724U公开的“一种用于机器人末端的恒力装置”通过调节气压阀门控制末端工具与接触面保持接触力。其装置包括动力气缸、导向机构、中央控制组件、固定安装盖和放置安装盖，设备众多，操作较为复杂，通用性差。且其主要依靠气动，噪声大。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种易操作、成本低、精度高、实时性能好、通用性能强的基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法。

本发明的一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法，包括以下步骤：

步骤一、安装设备：

将上位机与机器人控制***中的机器人控制器通过TCP网线连接，机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连，通过TCP协议实现上位机界面和机器人控制器的连接通讯；

将六维力传感器通过法兰盘和螺母安装在机器人本体末端执行器上，在所述的机器人本体末端执行器上串接一个橡胶材质的按摩头；

步骤二、按下机器人示教器上的上电按钮，机器人控制***接电；

步骤三、在上位机上运行人机交互软件程序，启动人机界面，用户设定恒力按摩的恒力值；建立上位机与机器人控制器之间的TCP通讯；

步骤四、建立与上位机的通信通道：通过运行示教器中预先编写好的socket连接指令向上位机发送连接请求，上位机接收到请求之后实现二者的连接；

步骤五、上位机通过六维力传感器检测到机器人末端与人体接触点的力值数据以及力矩值数据，同时将六维力传感器数据在上位机后台生成Excel表格；然后上位机通过读取到的机器人末端与人体接触点的力值运算得出当前力与用户设定力值的差值，进而通过PID算法运算得出机器人位移补偿值；通过上位机读取到的机器人末端与人体接触点的力矩值与力值运算得出当前力的方向和机器人末端与人体接触面法向之间的夹角，并通过曲面姿态补偿算法将所述的夹角转化为绕机器人工具坐标系的X、Y、Z轴的姿态补偿值；

步骤六、通过示教器的运动指令，使得机器人控制***先从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人姿态补偿值，机器人根据姿态补偿值完成相应的姿态运动，而后机器人控制***从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人位移补偿值，机器人完成相应的位移运动；机器人完成相关动作后给上位机发送一个信号作为标识符，使得上位机接收到标识符信号之后重复步骤五、六，直至机器人末端与人体接触点的力值和用户设定力值的差值在误差允许范围内；

步骤七、机器人按照预定轨迹运动后，上位机停止运行，机器人停止运动，同时选择路径保存采集得到的六维力传感器输出的机器人末端力值和力矩值数据，生成Excel表格。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明的基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法通过用户在人机交互界面上设定好恒力值与步进值，再将两者传输给机器人控制器，机器人按照编写的机器人程序实现预定轨迹，在此过程中对力值和姿态值不断进行调整，从而实现了恒力按摩的效果。上位机通过闭环PID算法以及曲面姿态补偿算法节省了人力，优化了机器人的控制精度和实时性能，显著提高了智能化水平。

附图说明

图1是本发明的基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法的硬件连接示意图；

图中：1—机器人控制***；2—机器人本体；3—上位机；4—六维力传感器；5—三挡按摩头；6—人体；7—TCP连接网线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明方法即通过对协作机器人编程实现以一个恒定的力对人体进行按摩。

如附图所示的本发明的一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法，包括以下步骤：

步骤一、安装设备：

将上位机3与机器人控制***1中的机器人控制器通过TCP网线7连接，机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体2的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连，通过TCP协议实现上位机3界面和机器人控制器的连接通讯；

将六维力传感器4通过法兰盘和螺母安装在机器人本体2末端执行器上，在所述的机器人本体2末端执行器上串接一个橡胶材质的按摩头5。

所述的按摩头5市场有售，如：可以采用佳瑞艾尔公司生产的AE-901 NEW型产品。

机器人可以采用现有的协作机器人，如UR机器人中公开的机器人结构即可。

步骤二、按下机器人示教器上的上电按钮，机器人控制***1接电。

步骤三、在上位机3上运行人机交互软件程序，启动人机界面，用户设定恒力按摩的恒力值；建立上位机3与机器人控制器之间的TCP通讯。

所述的人机交互界面可以利用Microsoft Visual Studio 2015(简称VS2015)编写。所述的人机交互界面程序利用与机器人控制器相关的开发环境软件。在所述的程序中包括三个部分：第一通信程序、第二通信程序和主程序(即步骤五中运行的程序)，第一通信程序用于调用函数接收线程A传来的数据，即六维力传感器4输出的六维力数据，第二通信程序用于socket通信发送上位机3程序中经过PID算法运算出的对机器人当前位姿的补偿值，所述的机器人当前位姿的补偿值通过线程C传给机器人控制器，从而使得机器人完成相应动作；线程B用来创建TCP通讯中的监听部分。

步骤四、建立与上位机3的通信通道：

通过运行示教器中预先编写好的socket连接指令向上位机3发送连接请求。上位机3接收到请求之后实现二者的连接。

步骤五、上位机3通过六维力传感器4检测到机器人末端与人体6接触点的力值数据以及力矩值数据，同时将六维力传感器4数据在上位机3后台生成Excel表格。然后上位机3通过读取到的机器人末端与人体6接触点的力值运算得出当前力与用户设定力值的差值，进而通过PID算法运算得出机器人位移补偿值；通过上位机3读取到的机器人末端与人体6接触点的力矩值与力值运算得出当前力的方向和机器人末端与人体6接触面法向之间的夹角，并通过曲面姿态补偿算法将所述的夹角转化为绕机器人工具坐标系的X、Y、Z轴的姿态补偿值。

步骤六、通过示教器的运动指令，使得机器人控制***1先从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人姿态补偿值，机器人根据姿态补偿值完成相应的姿态运动，而后机器人控制***1从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人位移补偿值，机器人完成相应的位移运动。机器人完成相关动作后给上位机3发送一个信号作为标识符，使得上位机3接收到标识符信号之后重复步骤五、六，直至机器人末端与人体6接触点的力值和用户设定力值的差值在误差允许范围内。

步骤七、机器人按照预定轨迹运动后，上位机3停止运行，机器人停止运动，同时选择路径保存采集得到的六维力传感器4输出的机器人末端力值和力矩值数据，生成Excel表格。

Claims (1)

1.一种基于PID算法的协作机器人恒力按摩方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、安装设备：

将上位机与机器人控制***中的机器人控制器通过TCP网线连接，机器人控制器与伺服驱动器相连，伺服驱动器与机器人本体的关节电机相连，与机器人控制器配套的机器人示教器与机器人控制器相连，通过TCP协议实现上位机界面和机器人控制器的连接通讯；

将六维力传感器通过法兰盘和螺母安装在机器人本体末端执行器上，在所述的机器人本体末端执行器上串接一个橡胶材质的按摩头；

步骤二、按下机器人示教器上的上电按钮，机器人控制***接电；

步骤三、在上位机上运行人机交互软件程序，启动人机界面，用户设定恒力按摩的恒力值；建立上位机与机器人控制器之间的TCP通讯；

步骤四、建立与上位机的通信通道：通过运行示教器中预先编写好的socket连接指令向上位机发送连接请求，上位机接收到请求之后实现二者的连接；

步骤五、上位机通过六维力传感器检测到机器人末端与人体接触点的力值数据以及力矩值数据，同时将六维力传感器数据在上位机后台生成Excel表格；然后上位机通过读取到的机器人末端与人体接触点的力值运算得出当前力与用户设定力值的差值，进而通过PID算法运算得出机器人位移补偿值；通过上位机读取到的机器人末端与人体接触点的力矩值与力值运算得出当前力的方向和机器人末端与人体接触面法向之间的夹角，并通过曲面姿态补偿算法将所述的夹角转化为绕机器人工具坐标系的X、Y、Z轴的姿态补偿值；

步骤六、通过示教器的运动指令，使得机器人控制***先从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人姿态补偿值，机器人根据姿态补偿值完成相应的姿态运动，而后机器人控制***从步骤四建立的通信通道接收到步骤五算出的机器人位移补偿值，机器人完成相应的位移运动；机器人完成相关动作后给上位机发送一个信号作为标识符，使得上位机接收到标识符信号之后重复步骤五、六，直至机器人末端与人体接触点的力值和用户设定力值的差值在误差允许范围内；

步骤七、机器人按照预定轨迹运动后，上位机停止运行，机器人停止运动，同时选择路径保存采集得到的六维力传感器输出的机器人末端力值和力矩值数据，生成Excel表格。