CN110605721A - 一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，包括：将通过机械臂末端六维力传感器所采集的信号转化为外力并进行负载补偿和零点补偿；对补偿后的外力进行滤波处理；根据导纳控制原理将外力转化为关节角度，给机械臂伺服***发送关节角度从而使机械臂运动。本发明采用的拖动示教方法，能够使操作人员轻松地拖动机械臂末端快速准确进行示教，柔顺性好，简单高效。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法。
背景技术
现代自动化生产中串联多关节机械臂的使用较为普及，主要分为工业机械臂和协作机械臂。为了提高机械臂示教效率，有人提出基于末端六维力传感器的拖动示教方法用以简化示教过程。
目前基于末端六维力传感器的拖动示教采用的控制方法是按照一定增益或者增加力阻尼将已处理的外力转换为速度，在伺服***中用速度控制方式控制机械臂运动，虽然能够实现基于末端六维力传感器的拖动示教功能，但是这种控制策略有两个缺点：第一点是这种控制策略需要修改伺服***的控制方式为速度控制方式，无法适应其他厂家所研制的机械臂***中；第二点是当控制增益过大时机械臂在拖动过程中很容易产生振动，导致示教效果差，操作过程中存在一定的危险。
对于六维力传感器信号滤波处理所采用的滤波器为卡尔曼滤波器，这种滤波器虽然在信号估计方面效果好，但是在滤除噪音方面没有IIR低通滤波器效果好。
发明内容
本发明的目的旨在解决所述技术缺陷，提出一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，能够使操作人员轻松地拖动机械臂末端快速准确进行示教，柔顺性好，简单高效；通过使用机械臂伺服***的位置环进行控制，能够适用于市场上大部分厂家的机械臂***，适用范围广。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，包括如下步骤：
步骤1：将通过机械臂末端六维力传感器所采集的信号转化为外力并进行负载补偿和零点补偿；
步骤2：对补偿后的外力进行滤波处理；
步骤3：根据导纳控制原理将外力转化为关节角度，给机械臂伺服***发送关节角度从而使机械臂运动。
进一步的，所述的步骤1中，所述的六维力传感器所采集的信号包括沿着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向的3个信号和绕着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴的3个信号。
进一步的，所述的步骤1中，负载补偿和零点补偿具体步骤如下：
步骤1.1：将六维力传感器所采集到的信号转化为力和力矩；
步骤1.2：根据不同姿态下的力和力矩，计算出机械臂末端负载质量和质心参数，表达式为：
式中：x、y、z分别表示负载在六维力传感器坐标系中的坐标；Gx、Gy、Gz分别表示负载在六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向上作用的力；Mgx、Mgy、Mgz表示负载对六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴作用的力矩；
步骤1.3：对转化后的力和力矩进行负载补偿，得到负载补偿后的力和力矩；
步骤1.4：对负载补偿后的力和力矩进行零点补偿，得到零点补偿后的力和力矩。
进一步的，所述步骤2中，滤波处理具体步骤如下：
步骤2.1：采用IIR低通滤波器对补偿后的力和力矩进行滤波处理，得到低通滤波处理后的力和力矩；
步骤2.2：采用加权滑窗滤波器对低通滤波处理后的力和力矩进行平滑处理，得到平滑处理后的力和力矩。
进一步的，所述步骤3中，根据导纳控制原理将外力转化为关节角度具体步骤如下：
步骤3.1：将平滑处理后的力和力矩与预设的阈值进行比较，判断机械臂是否开始运动；
步骤3.2：根据导纳控制原理将力和力矩分别转化为末端六维力传感器沿着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向移动的速度和绕着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴旋转的角速度，导纳控制模型的表达式为：
式中：M、B、K分别表示惯性参数矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数矩阵； 分别表示末端加加速度矩阵、加速度矩阵、速度矩阵；F表示由力和力矩组成的外力矩阵；
步骤3.3：根据当前机械臂反馈的关节角度用运动学正解计算出机械臂末端位姿；
步骤3.4：根据机械臂末端位姿和当前末端传感器的速度、角速度，计算出下一时刻的机械臂位姿；
步骤3.5：根据下一时刻的机械臂位姿，用运动学逆解计算出机械臂各个关节角度。
进一步的，所述的步骤3中，给机械臂伺服***发送关节角度的方式为：将所计算的各个关节角度发送给机械臂伺服***，机械臂伺服***通过关节角度计算出关节电流控制机械臂各个关节电机进行运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用IIR低通滤波方法所得到的外力信息准确性高，采用加权滑窗滤波方法所得到的外力信息平滑性好，提高拖动示教控制的稳定性；
2、本发明采用导纳控制原理将力信息转换为位置信息，通过调节M、B、K三个参数实现轻便且无振动的拖动示教，更有利于操作人员对点位或轨迹示教；
3、本发明采用的拖动示教方法基于机械臂伺服***的位置环，适用于市场上大部分机械臂***，适用范围广。
附图说明
图1是本发明基于六维力传感器的机械臂拖动示教方法的整体流程图；
图2是本发明实施例一基于六维力传感器的机械臂拖动示教方法控制***框架图；
图3是本发明实施例一基于六维力传感器的机械臂拖动示教方法算法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅表示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图3所示，图3是本发明一个实施例的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法的算法流程图，本具体实施例采用的机械臂本体是六轴协作机械臂，具体步骤如下：
步骤1：将六维力传感器安装到六轴协作机械臂末端并且在六轴协作机械臂末端安装一个把手便于操作人员进行拖动示教；
步骤2：将六维力传感器所采集到的信号转化为力和力矩，所述的六维力传感器所采集的信号包括沿着X轴、Y轴、Z轴方向的3个信号和绕着X轴、Y轴、Z轴的3个信号。实施例中六维力传感器所采集的信号为额定力矩的万分比，其表达式为：
F＝Fd/10000*Fr
式中：Fd表示六维传感器所采集到的信号矩阵；Fr表示由额定力和额定力矩组成的矩阵；F表示由力和力矩组成的外力矩阵；
步骤3：用示教器操作六轴机械臂，将六轴协作机械臂末端旋转到3种不同的姿态下并记录当前的力和力矩，根据不同姿态下的力和力矩，计算出末端负载质量和质心参数，表达式为：
式中：x、y、z分别表示负载在六维力传感器坐标系中的坐标；Gx、Gy、Gz分别表示负载在X轴、Y轴、Z轴方向上作用的力；Mgx、Mgy、Mgz表示负载对X轴、Y轴、Z轴作用的力矩；
步骤4：对转化后的力和力矩进行负载补偿，得到负载补偿后的力和力矩，消除负载重力对六维力传感器产生的影响；
步骤5：记录负载补偿后的力和力矩作为六维力传感器零点漂移，对负载补偿后的力和力矩进行零点补偿，得到零点补偿后的力和力矩，消除六维力传感器零点漂移对六维力传感器产生的影响，补偿表达式为：
Ffact＝F-Fpayload-Fzero
式中：Ffact表示操作人员施加到六维力传感器上的外力矩阵；Fpayload表示负载对六维力传感器施加的重力矩阵；Fzero表示六维力传感器自身所引起的零点漂移矩阵；F表示由力和力矩组成的外力矩阵；
步骤6：当操作人员对机械臂末端把手施力时，零点补偿后的力和力矩随之变化，采用IIR低通滤波器对补偿后的力和力矩进行滤波处理，得到低通滤波处理后的力和力矩；
步骤7：采用加权滑窗滤波器对低通滤波处理后的力和力矩进行平滑处理，得到平滑处理后的力和力矩；
步骤8：将平滑处理后的力和力矩与预设的阈值进行比较，判断机械臂是否开始运动，若平滑处理后的力和力矩低于预设的阈值，则将末端速度和角速度设置为零，跳转到步骤10，否则继续执行步骤9；
步骤9：根据导纳控制原理将力和力矩分别转化为末端六维力传感器沿着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向移动的速度和绕着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴旋转的角速度，其中导纳控制模型的表达式为：
式中：M、B、K分别表示惯性参数矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数矩阵； 分别表示末端加加速度矩阵、加速度矩阵、速度矩阵；F表示由力和力矩组成的外力矩阵；
步骤10：根据当前六轴协作机械臂反馈的关节角度用运动学正解计算出机械臂末端位姿；
步骤11：根据六轴协作机械臂末端位姿和当前末端传感器的速度、角速度，计算出下一时刻的六轴协作机械臂位姿；
步骤12：根据下一时刻的六轴协作机械臂位姿，用运动学逆解计算出六轴协作机械臂各个关节角度；
步骤13：将所计算的各个关节角度发送给六轴协作机械臂伺服控制***，六轴协作机械臂伺服***通过关节角度计算出关节电流控制六轴协作机械臂各个关节电机进行运动。
本文所提出的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法通过IIR低通滤波器和加权滑窗滤波器对补偿后的外力进行处理，提高了外力的准确性和平滑性，有利于提高拖动示教的稳定性；通过调节刚度参数K，能够减小操作人员拖动机械臂所使用的力；通过调节惯性参数M和阻尼参数B，能够消除刚度参数K所造成的振动问题，使拖动示教更加柔顺、轻便；通过机械臂伺服***位置环进行控制，适应市场上大部分厂家的机械臂***，适用范围广。
Claims (6)
1.一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：
步骤1：将通过机械臂末端六维力传感器所采集的信号转化为外力并进行负载补偿和零点补偿；
步骤2：对补偿后的外力进行滤波处理；
步骤3：根据导纳控制原理将外力转化为关节角度，给机械臂伺服***发送关节角度从而使机械臂运动。
2.如权利要求1所述的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：所述的六维力传感器所采集的信号包括沿着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向的3个信号和绕着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴的3个信号。
3.如权利要求1所述的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：所述步骤1中，负载补偿和零点补偿具体步骤如下：
步骤1.1：将六维力传感器所采集到的信号转化为力和力矩；
步骤1.2：根据不同姿态下的力和力矩，计算出机械臂末端负载质量和质心参数，表达式为：
式中：x、y、z分别表示负载在六维力传感器坐标系中的坐标；Gx、Gy、Gz分别表示负载在六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向上作用的力；Mgx、Mgy、Mgz表示负载对六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴作用的力矩；
步骤1.3：对转化后的力和力矩进行负载补偿，得到负载补偿后的力和力矩；
步骤1.4：对负载补偿后的力和力矩进行零点补偿，得到零点补偿后的力和力矩。
4.如权利要求2所述的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：所述步骤2中，滤波处理具体步骤如下：
步骤2.1：采用IIR低通滤波器对补偿后的力和力矩进行滤波处理，得到低通滤波处理后的力和力矩；
步骤2.2：采用加权滑窗滤波器对低通滤波处理后的力和力矩进行平滑处理，得到平滑处理后的力和力矩。
5.如权利要求3所述的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：所述步骤3中，根据导纳控制原理将外力转化为关节角度具体步骤如下：
步骤3.1：将平滑处理后的力和力矩与预设的阈值进行比较，判断机械臂是否开始运动；
步骤3.2：根据导纳控制原理将力和力矩分别转化为末端六维力传感器沿着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴方向移动的速度和绕着六维力传感器坐标系X轴、Y轴、Z轴旋转的角速度，导纳控制模型的表达式为：
式中：M、B、K分别表示惯性参数矩阵、阻尼参数矩阵、刚度参数矩阵； 分别表示末端加加速度矩阵、加速度矩阵、速度矩阵；F表示由力和力矩组成的外力矩阵；
步骤3.3：根据当前机械臂反馈的关节角度用运动学正解计算出机械臂末端位姿；
步骤3.4：根据机械臂末端位姿和当前末端传感器的速度、角速度，计算出下一时刻的机械臂位姿；
步骤3.5：根据下一时刻的机械臂位姿，用运动学逆解计算出机械臂各个关节角度。
6.如权利要求3所述的基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，其特征在于：所述步骤3中，给机械臂伺服***发送关节角度的方式为：将所计算的各个关节角度发送给机械臂伺服***，机械臂伺服***通过关节角度计算出关节电流控制机械臂各个关节电机进行运动。
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