CN113319857A - 机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质，其中，方法包括以下步骤：据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，虚拟构件包括弹簧和阻尼器；根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩，根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制；该方法基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，简化现有机械臂的力学模型，提高机械臂控制的运算效率，适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制。

Description

机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及机械臂控制技术领域，具体而言，涉及一种机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

随着机器人技术的发展和工业4.0概念的推广，机械臂在工业领域的应用也逐渐普及。对于一些机械化、重复性高和危险性高等作业，一般采用机械臂取代人工进行作业，从而提高生产效率、降低成本，并避免生产事故的发生。

现有的关于机器人机械臂的力控，一般采用柔顺控制的方式进行，柔顺控制主要分为阻抗控制、导纳控制、力位混合控制三种。

其中，阻抗控制的控制过程中主要是把控制器等效为阻抗***，用于输入位置输出力，把机器人等效为导纳***，用于输入力输出位置，阻抗控制需要我们能够获取位置信息，并且能控制机器人的关节力矩。

导纳控制是阻抗控制的反过程，把控制器等效为导纳***，用于输入力输出位置，把机器人等效为阻抗***，用于输入位置输出力，导纳控制需要我们能获取力信息（因此常需要在末端加力传感器），且能控制机器人的关节位置。

一般情况下，许多作业都只要求机械臂具有轨迹控制功能即可，上两种控制已经能在这些作业中比较好的完成普通柔顺控制了，如焊接、码垛和喷涂等工作，这些操作均可利用阻抗控制和导纳控制完成。但是在很多情况下，我们需要同时对力和位置有高精度的控制，例如机械臂沿着某个面进行抛光作业，这时，既需要在垂直面方向上进行力控制，又需要在切面方向进行位置控制，这就需要用到力位混合控制，即同时实现切向力和法向力的同时控制，但现有的力位混合控制方法的建模都比较复杂，应用起来比较困难，且普遍仅限于特定环境中的特定机械臂进行使用，且控制时需针对机械臂的具体结构建立复杂的机械臂模型以进行仿真计算，存在建模复杂、力位运算繁琐、通用性不足的问题。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质，简化机械臂模型、提高运算控制效率、扩大适用范围。

第一方面，本申请提供了一种机械臂力位混合控制方法，用于机械臂力位混合控制，所述方法包括以下步骤：

S1、根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，所述虚拟构件包括弹簧和阻尼器；

S2、根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

S3、基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩，根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

本申请实施例的一种机械臂力位混合控制方法，基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，然后基于位置信息和速度信息获取虚拟弹簧力和虚拟阻尼力、基于机械臂末端接触力获取输出控制力，结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而对机械臂进行力位混合控制，该方法简化了机械臂模型的构建，且能根据不同机械臂特点选用合适的弹簧和阻尼器搭配建模，具有适用性范围广的特点，具有建模简单、计算量少、适用性广的特点，有效提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制；该机械臂力位混合控制方法无需引入阻抗控制、导纳控制等需要的惯性数据等，仅利用虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力组成简易模型，而该简易模型能结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力、输出控制力实施力和位置的混合控制，实现切向力和法向力的同时控制，完成抛光等需要施力的机械臂作业；此外，虚拟弹簧力和虚拟阻尼力分别基于位置信息和速度信息进行计算获取，无需引入质量、惯性以及加速度等复杂数据，相比起质量、惯性以及加速度，位置信息、速度信息均为数据测量中较易获取的数据信息，故能精简力位混合控制的数据源，也便于获取更高精度的数据源，从而提高力位混合控制的计算精度。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，所述步骤S1包括以下子步骤：

S11、获取机械臂末端的位置信息和速度信息，所述位置信息包括实际位置和目标位置，所述速度信息包括实际速度和目标速度；

S12、基于机械臂末端的位置信息和速度信息，选择弹簧和阻尼器虚拟构件组成机械臂模型；

S13、获取对应弹簧的刚度系数和阻尼器的阻尼系数作为机械臂模型的刚度系数和阻尼系数；

S14、根据机械臂末端实际位置和目标位置之差以及刚度系数计算获取虚拟弹簧力，根据机械臂末端实际速度和目标速度之差以及阻尼系数计算获取虚拟阻尼力。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，步骤S1中，通过VMC软件调用虚拟构件，基于虚拟构件组成机械臂模型以进行机械臂的力位混合控制。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，所述步骤S3包括以下子步骤：

S31、根据虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力计算获取混合控制力；

S32、根据混合控制力和雅可比矩阵计算获取机械臂对应关节所需的力矩；

S33、综合机械臂各关节所需力矩，对整个机械臂进行力位混合控制。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，所述实际接触力由机械臂末端的力传感器测取。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，当所述目标接触力大于所述实际接触力时，所述输出控制力大于目标接触力。

所述的一种机械臂力位混合控制方法，其中，步骤S3中，所述所需力矩为关节力矩向量

，其满足公式：

，

为弹簧的刚度系数，

为阻尼器的阻尼系数，

为机械臂末端目标位置，

为机械臂末端目标速度，

为机械臂关节空间的位置向量，

为机械臂关节空间的速度向量，

为机械臂末端目标接触力，

为机械臂末端实际接触力，

为矫正系数，

为雅可比矩阵，

为雅克比矩阵转置。

第二方面，本申请还提供了一种机械臂力位混合控制装置，用于机械臂力位混合控制，包括：

虚拟力计算模块，用于根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，所述虚拟构件包括弹簧和阻尼器；

控制力计算模块，根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

力矩计算模块，基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩；

力位混合控制模块，用于根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

本申请实施例的一种机械臂力位混合控制装置，通过虚拟力计算模块基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，并基于位置信息和速度信息获取虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，通过控制力计算模块基于机械臂末端接触力获取输出控制力，利用力矩计算模块结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而通过力位混合控制模块应用关节力矩对机械臂进行力位混合控制，具有建模简单、计算量少、适用性广的特点，有效提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制。

第三方面，本申请还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。

第四方面，本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。

由上可知，本申请实施例提供了一种机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质，其中，方法基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，结合虚拟力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而对机械臂进行力位混合控制，有效简化了现有机械臂的力学模型，提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制；该机械臂力位混合控制方法无需引入阻抗控制、导纳控制等需要的惯性数据等，仅利用虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力组成简易模型，而该简易模型能结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力、输出控制力实施力和位置的混合控制，实现切向力和法向力的同时控制，完成抛光等需要施力的机械臂作业；此外，虚拟弹簧力和虚拟阻尼力分别基于位置信息和速度信息计算获取，无需引入质量、惯性以及加速度等复杂数据，相比起质量、惯性以及加速度，位置信息、速度信息均为数据测量中较易获取的数据信息，故能精简力位混合控制的数据源，也便于获取更高精度的数据源，从而提高力位混合控制的计算精度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种机械臂力位混合控制方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的一种机械臂力位混合控制方法中由弹簧和阻尼器构建的机械臂模型的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种机械臂力位混合控制方法的控制框图。

图4为本申请实施例提供的一种机械臂力位混合控制装置的结构示意图。

图5为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一方面，请参照图1-3，图1-3是本申请一些实施例中的一种机械臂力位混合控制方法，用于机械臂力位混合控制，方法包括以下步骤：

S1、根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，虚拟构件包括弹簧和阻尼器。

更具体地，虚拟力为实际不存在的力，可通过映射至机械臂关节力矩上进行计算调节，使得关节力矩产生的扭矩可以实现和虚拟力一样的效果。

更具体地，机械臂的位置信息为规划运动中的位置变化轨迹数据，包括实际位置和目标位置，其中，实际位置为机械臂末端现存位置，目标位置为机械臂末端要达到的位置。

更具体地，机械臂的速度信息为规划运动中的速度变化数据，包括实际速度和目标速度，其中，实际速度为机械臂末端现存速度，目标速度为机械臂末端要达到的速度。

具体地，如图2所示，调用包括弹簧和阻尼器的虚拟构件简化构建机械臂模型，该机械臂模型利用弹簧和阻尼器虚拟构件模拟机械臂末端，有效简化了机械臂模型的组成，该机械臂模型可基于位置信息和速度信息计算需求的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，以模拟计算获取机械臂实际工作时需要达到的弹簧力和阻抗力。

更具体地，虚拟弹簧力基于机械臂的位置信息进行计算，虚拟阻尼力基于机械臂的速度信息进行计算，虚拟弹簧力和虚拟阻尼力分别模拟机械臂运动的刚度控制和阻尼控制，对机械臂运动位移需求的控制力进行合理分解，有效简化力学模型的构成。

更具体地，相比起传统复杂的机械臂专用且复杂的模型，采用弹簧和阻尼器的虚拟构件构建机械臂模型的建模方式具有建模简单且适用于不同机械臂使用，其仅需根据机械臂具体结构参数调用合适的弹簧和阻尼器的虚拟构件即可完成机械臂模型构建。

更具体地，弹簧的虚拟构件和阻尼器的虚拟构件分别具备对应的模型参数，如弹簧虚拟构件具有刚度系数，阻尼器虚拟构件具有阻尼系数，因此可根据设计需求调用具有合适刚度系数的弹簧虚拟构和具有合适阻尼系数的阻尼器虚拟构件。

更具体地，合适刚度系数的弹簧虚拟构和具有合适阻尼系数的阻尼器虚拟构件的获取途径可以是基于实验、修正反复调整进行获取，还可以是基于不同机械臂设计参数如长度、重量等结构特性构建与弹簧和阻尼器等虚拟构件匹配的数据库，使得机械臂满足设计特定设计参数时可同时或分开条用合适的弹簧和阻尼器虚拟构件以构建机械臂模型，具有适用性范围广的特点。

S2、根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

具体地，输出控制力用于机械臂的施力控制调节，即控制调节施加在对应作业目标上的目标力。

具体地，当实际接触力为零时，仅以目标接触力计算出所需的输出控制力。

具体地，目标接触力为机械臂正常工作时需要施加在作用目标上的接触力向量，是预先设定的需要作用在目标上的接触力，如抛光作业时需要作用在工件上的事前设计的法向作用力。

S3、基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩，根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

具体地，虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力可通过雅可比矩阵映射而计算转换为机械臂关节力矩，使得机械臂关节力矩产生的扭矩可以实现与虚拟力和输出控制力一样的效果，而关节力矩由机械臂上各关节电机运作直接产生的，即基于虚拟力和输出控制力计算，直接实现了对机械臂机型力位混合控制。

本申请实施例的一种机械臂力位混合控制方法，基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，然后基于位置信息和速度信息获取虚拟弹簧力和虚拟阻尼力、基于机械臂末端接触力获取输出控制力，结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而对机械臂进行力位混合控制，该方法简化了机械臂模型的构建，且能根据不同机械臂特点选用合适的弹簧和阻尼器搭配建模，具有适用性范围广的特点，具有建模简单、计算量少、适用性广的特点，有效提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制；该机械臂力位混合控制方法无需引入阻抗控制、导纳控制等需要的惯性数据等，仅利用虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力组成简易模型，而该简易模型能结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力、输出控制力实施力和位置的混合控制，实现切向力和法向力的同时控制，完成抛光等需要施力的机械臂作业；此外，虚拟弹簧力和虚拟阻尼力分别基于位置信息和速度信息计算获取，无需引入质量、惯性以及加速度等复杂数据，相比起质量、惯性以及加速度，位置信息、速度信息均为数据测量中较易获取的数据信息，故能精简力位混合控制的数据源，也便于获取更高精度的数据源，从而提高力位混合控制的计算精度。

在一些优选的实施方式中，步骤S1包括以下子步骤：

S11、获取机械臂末端的位置信息和速度信息，所述位置信息包括实际位置和目标位置，所述速度信息包括实际速度和目标速度；

具体地，获取机械臂末端位置信息中的实际位置、目标位置和速度信息中的实际速度、目标速度。

S12、基于机械臂末端的位置信息和速度信息，选择弹簧和阻尼器虚拟构件组成机械臂模型；

具体地，由于需要实现对应机械臂的位置控制和速度控制，因此，每个机械臂均包括用于计算虚拟弹簧力的弹簧和用于计算虚拟阻尼力的阻尼器，从而构成相应的机械臂模型。

S13、获取对应弹簧的刚度系数和阻尼器的阻尼系数作为机械臂模型的刚度系数和阻尼系数；

具体地，弹簧和阻尼器虚拟构件为虚拟模型，可从数据库中直接提取对应的虚拟模型进行组合以构成机械臂模型，提取的弹簧、阻尼器的虚拟模型包括相应的刚度系数、阻尼系数，可直接从数据库中输入模型类型或编号直接提取。

S14、根据机械臂末端实际位置和目标位置之差以及刚度系数计算获取虚拟弹簧力，根据机械臂末端实际速度和目标速度之差以及阻尼系数计算获取虚拟阻尼力。

具体地，如图2所示，本申请实施例的方法利用弹簧和阻尼器两种虚拟构件分别进行虚拟弹簧力和虚拟阻尼力的模拟计算，有效简化了机械臂模拟的构造，其中O点为机械臂坐标原点。

具体地，记虚拟弹簧力为

，则有

，

为刚度系数，根据对应的弹簧模型进行确定，

为机械臂末端目标位置，

为机械臂末端实际位置。

具体地，记虚拟阻尼力

，则有虚拟阻尼力

，

为阻尼系数，根据对应的阻尼器模型进行确定，

为机械臂末端目标速度，

为机械臂末端实际速度。

更具体地，刚度系数

和阻尼系数

通过实验进行选择和修正，即基于实验、修正反复调整选用合适的弹簧和阻尼器的虚拟模型，以使得相应弹簧、阻尼器的组合能模拟对应机械臂的运动状况。

更具体地，还可基于机械臂结构参数建立关于弹簧和阻尼器的数据库，在对特定机械臂进行力位混合控制时，输入机械臂机构参数即可从数据库中调用匹配的弹簧和阻尼器进行模拟计算虚拟力。

在一些优选的实施方式中，步骤S1中，通过VMC软件调用虚拟构件，基于虚拟构件组成机械臂模型以进行机械臂的力位混合控制。

具体地，VMC（Virtual Motion Capture）为虚拟模拟软件，该软件的实现方法主要是在作用的物体上根据实际需要选择相应的虚拟构件，虚拟构件可以是假想的任何数学模型可知的物体，如阻尼器、弹簧和马达等，因此，可从VMC中调用合适的弹簧、阻尼器虚拟构件构成机械臂模型，以快速完成机械臂模型而进行力学计算。

在一些优选的实施方式中，步骤S2获取输出控制力的过程中，如图3所示，需要在机械臂的控制内环加入目标力，即作用于目标的接触力，因此，有

，其中，

为输出控制力，

和

分别为机械臂末端目标接触力和实际接触力，

为矫正系数，用于根据实际接触力纠正以调整输出控制力。

在一些优选的实施方式中，步骤S3包括以下子步骤：

S31、根据虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力计算获取混合控制力；

具体地，记混合控制力为F，则有

，由此，可通过输出控制力、虚拟弹簧力和虚拟阻尼力快速计算获得混合控制力。

S32、根据混合控制力和雅可比矩阵计算获取机械臂对应关节所需的力矩；

具体地，由于驱动机械臂进行力位混合控制所需的力不能直接由驱动源产生，所以需要将其映射到关节力矩上由电机产生。

具体地，如图3所示，机械臂关节空间的位置向量为

，机体在广义坐标系中机械臂末端实际位置

为一位姿向量为。根据虚功原理，在关节力矩向量

的作用下，关节空间的位置向量虚位移为

，机***姿向量虚位移为

，则***的虚功

为：

；

由正运动学可以得出机***姿向量

和关节空间的位置向量q的关系：

；

其中J为雅可比矩阵，结合上述两式可得：

；

具体地，雅可比矩阵J是一阶偏导数以一定方式排列成的矩阵，其行列式称为雅可比行列式。雅可比矩阵的重要性在于它体现了一个可微方程与给出点的最优线性逼近。因此，雅可比矩阵类似于多元函数的导数。

由于机械臂运动要求为稳定运动，因此要确保机械臂整个动作***是平衡的，即

，

不为0的情况下，代入上式可得：

；

因此，基于机械臂末端所需要的混合控制力F，即可以算出关节力矩向量

；另外，机械臂末端实际位置

和实际速度

主要是通过关节空间位置向量

和速度向量

由正运动学计算得到的，即

和

，故有：

；

其中，

、

和

为机械臂的目标规划值，即机械臂末端目标位置、目标速度、目标接触力，

、

和为机械臂的反馈值即实际值，

为雅可比矩阵，

为雅克比矩阵转置，通过这些值即可以计算出机械臂的关节力矩向量

。

因此，步骤S3中，所述所需力矩为关节力矩向量

，其满足上述

的计算公式。

同理，通过机***姿向量虚速度为

或机***姿向量虚接触力

也能推算可获得

，如

进而得到

，在此不再详述。

S33、综合机械臂各关节所需力矩，对整个机械臂进行力位混合控制。

具体地，机械臂各关节均可通过关节力矩向量

进行力位混合控制，对于串联型机械臂，需要综合机械臂各关节所需力矩，对整个机械臂进行力位混合控制，进行实现机械臂复杂运动的控制。在一些优选的实施方式中，实际接触力由机械臂末端的力传感器测取。

具体地，实际接触力为通过设置在机械臂末端的力传感器检测反馈的力，通过力传感器实时获取实际接触

，结

可实时进行输出控制力的纠正调整。

在一些优选的实施方式中，当目标接触力大于实际接触力时，输出控制力大于目标接触力，使实际接触力迅速增大而达到目标接触力。

第二方面，请参照图4，图4是本申请一些实施例中提供的一种机械臂力位混合控制装置，用于机械臂力位混合控制，包括：

虚拟力计算模块，根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，虚拟构件包括弹簧和阻尼器；

控制力计算模块，根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

力矩计算模块，基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩；

力位混合控制模块，用于根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

本申请实施例的一种机械臂力位混合控制装置，通过虚拟力计算模块基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，并基于位置信息和速度信息获取虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，通过控制力计算模块基于机械臂末端接触力获取输出控制力，利用力矩计算模块结合虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而通过力位混合控制模块应用关节力矩对机械臂进行力位混合控制，具有建模简单、计算量少、适用性广的特点，有效提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制。

第三方面，请参照图5，图5为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备3，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机程序，当计算设备运行时，处理器301执行该计算机程序，以执行时执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法。

第四方面，本申请实施例提供一种存储介质，所述计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static RandomAccess Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（ErasableProgrammable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

综上，本申请实施例提供了一种机械臂力位混合控制方法、装置、电子设备及存储介质，其中，方法基于包括弹簧和阻尼器的虚拟构件组成机械臂模型，结合虚拟力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩而对机械臂进行力位混合控制，有效简化了现有机械臂的力学模型，提高机械臂控制的运算效率，并降低运算设备的硬件性能要求，且适用于所有串联型机器人的机械臂力位混合控制。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂力位混合控制方法，用于机械臂力位混合控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，所述虚拟构件包括弹簧和阻尼器；

S2、根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

S3、基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩，根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：

S11、获取机械臂末端的位置信息和速度信息，所述位置信息包括实际位置和目标位置，所述速度信息包括实际速度和目标速度；

S12、基于机械臂末端的位置信息和速度信息，选择弹簧和阻尼器虚拟构件组成机械臂模型；

S13、获取对应弹簧的刚度系数和阻尼器的阻尼系数作为机械臂模型的刚度系数和阻尼系数；

S14、根据机械臂末端实际位置和目标位置之差以及刚度系数计算获取虚拟弹簧力，根据机械臂末端实际速度和目标速度之差以及阻尼系数计算获取虚拟阻尼力。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，步骤S1中，通过VMC软件调用虚拟构件，基于虚拟构件组成机械臂模型以进行机械臂的力位混合控制。

4.根据权利要求1所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：

S31、根据虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力计算获取混合控制力；

S32、根据混合控制力和雅可比矩阵计算获取机械臂对应关节所需的力矩；

S33、综合机械臂各关节所需力矩，对整个机械臂进行力位混合控制。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，所述实际接触力由机械臂末端的力传感器测取。

6.根据权利要求1所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，当所述目标接触力大于所述实际接触力时，所述输出控制力大于目标接触力。

7.根据权利要求2所述的一种机械臂力位混合控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述所需力矩为关节力矩向量

，其满足公式：

，

为弹簧的刚度系数，

为阻尼器的阻尼系数，

为机械臂末端目标位置，

为机械臂末端目标速度，

为机械臂关节空间的位置向量，

为机械臂关节空间的速度向量，

为机械臂末端目标接触力，

为机械臂末端实际接触力，

为矫正系数，

为雅可比矩阵，

为雅克比矩阵转置。

8.一种机械臂力位混合控制装置，用于机械臂力位混合控制，其特征在于，包括：

虚拟力计算模块，用于根据机械臂末端的位置信息和速度信息调用虚拟构件以构建机械臂模型，并利用所述机械臂模型计算出机械臂力位混合控制所需的虚拟弹簧力和虚拟阻尼力，所述虚拟构件包括弹簧和阻尼器；

控制力计算模块，根据机械臂末端目标接触力和实际接触力计算出所需的输出控制力；

力矩计算模块，基于虚拟弹簧力、虚拟阻尼力和输出控制力通过雅可比矩阵计算出机械臂关节所需力矩；

力位混合控制模块，用于根据关节所需力矩对机械臂进行力位混合控制。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。

10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-7任一所述方法中的步骤。

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