CN110977990A - 一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法 - Google Patents

一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，该方法包括：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，并且适用范围广。

Description

一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，具体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，有人提出了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***；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。
另外，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
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供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。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，该方法包括以下步骤：
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：
Figure 370994DEST_PATH_IMAGE001
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；
Figure 191183DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 340404DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 955056DEST_PATH_IMAGE004
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；
Figure 330674DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 423395DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 568068DEST_PATH_IMAGE007
分别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：
Figure 478256DEST_PATH_IMAGE008
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；
Figure 78520DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 974932DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 974112DEST_PATH_IMAGE011
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。
本发明的有益效果是:
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是本发明实施例中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是本发明实施例中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
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1和图2所示，一种基于末端六维力传感器的机械臂拖动示教方法，该方法包括以下步骤：
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。
所述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；在本实施例中，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：
Figure 930566DEST_PATH_IMAGE012
式中：
Figure 139831DEST_PATH_IMAGE013
表示六维传感器所采集到的信号矩阵，
Figure 839934DEST_PATH_IMAGE014
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。
如图3所示，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）在本实施例中，首先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，然后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：
Figure 693620DEST_PATH_IMAGE001
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；
Figure 555397DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 986378DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 224593DEST_PATH_IMAGE004
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；
Figure 195435DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 352747DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 411970DEST_PATH_IMAGE007
分别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，以消除负载重力对六维力传感器产生的影响；
步骤1.4）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，以消除六维力传感器零点漂移对六维力传感器产生的影响，在本实施例中，补偿表达式为：
Figure 719455DEST_PATH_IMAGE015
式中：
Figure 547733DEST_PATH_IMAGE016
表示操作人员施加到六维力传感器上的外力矩阵；
Figure 282471DEST_PATH_IMAGE017
表示负载对六维力传感器施加的重力矩阵；
Figure 563411DEST_PATH_IMAGE018
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。
所述步骤2）中，滤波处理具体步骤如下：
步骤2.1）在本实施例中，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。
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，在本实施例中，在判断时，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3.3），否则继续执行步骤3.2）；
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：
Figure 409007DEST_PATH_IMAGE008
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；
Figure 216426DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 590907DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 373791DEST_PATH_IMAGE011
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3.4）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，计算出下一时刻的机械臂位姿；
步骤3.5）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机械臂各个关节角度。
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。
本发明原理
本发明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
Figure 882133DEST_PATH_IMAGE020
，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
Figure 419424DEST_PATH_IMAGE022
和阻尼参数
Figure 230386DEST_PATH_IMAGE024
，能够消除刚度参数
Figure DEST_PATH_IMAGE025
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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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，该方法包括以下步骤：
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。
2.根据权利要求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.根据权利要求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：
Figure 953416DEST_PATH_IMAGE001
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；
Figure 140815DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 532613DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 639110DEST_PATH_IMAGE004
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；
Figure 647517DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 373028DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 884911DEST_PATH_IMAGE007
分别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.根据权利要求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.根据权利要求4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：
Figure 34746DEST_PATH_IMAGE008
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；
Figure 123924DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 653126DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 19516DEST_PATH_IMAGE011
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.根据权利要求1或5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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