[发明专利]一种基于串联弹性执行器的六关节机械臂接触力控制方法

说明书

本发明属于工业机器人控制领域，具体提供了一种基于串联弹性执行器的六关节机械臂接触力控制方法，旨在解决机械臂与环境的接触过程中，机械臂与环境之间接触力的柔顺控制问题。在设计的柔顺机构‑串联弹性执行的基础上，首先，设定期望的接触力；其次，通过自复位线性位移传感器间接采集接触过程中的实际接触力；然后，将期望的接触力与实际的接触力做比较后，经过PD力控制器得出位移偏差量；最后，结合读取的电机实际位置，以及重力的前馈补偿，控制电机下一步到达的位置，使得弹簧压缩量保持恒定值，进而实现恒力控制。本方法无需使用昂贵的力传感器即可实现对机械臂末端接触力的控制，使得运用工业机器人进行加工工件时，变得更为简单、方便，同时力控制精度更高，大大降低企业的生产成本。

技术领域

本发明涉及一种机械臂接触力控制方法。

背景技术

虽然工业机器人的使用越来越广泛，但是在某些需要机器人与环境相互接触的场合，比如，工业机器人抛光打磨的接触力控制，仅仅依靠单一的位置控制是无法实现接触力的控制的。并且，随着人们的要求越来越高，对精加工控制要求也相应提高。

近年来，随着机器人柔顺控制技术的不断发展，将柔顺控制应用于机器人控制系统中，使得机器人向智能化方向迈了一大步。当前，柔顺控制分为主动柔顺和被动柔顺两种。机器人凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时能够对外部作用力产生自然顺从，称为被动柔顺；机器人利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，称为主动柔顺。在工业机器人的工作过程中需要与环境接触，机械臂与环境直接的接触力太大会造成对环境的伤害，接触力太小又达不到要求，对于一些高精度要求的加工工件，需要更高精度的控制策略。因此，将柔顺控制应用在机械臂中，来实现接触力的恒力控制。但是在很多论文中只考虑了用弹簧力作为输出接触力，而忽略了重力对弹簧的影响，因此，本人提出一种串联弹性执行器的重力补偿方法，来提高力控制精度。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，采用具有柔顺作用的串联弹性执行器，提供一种基于串联弹性执行器的六关节机械臂接触力控制方法，同时对不同姿态下串联弹性执行器的重力进行实时补偿，来提高接触力控制精度，旨在解决工业机械加工过程中，机械臂与环境或工件之间接触力的控制问题，实现机械臂与环境接触的恒力控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于串联弹性执行器的六关节机械臂的接触力控制方法，包括如下步骤：

Step1：设定期望的接触力F_d；

Step2：获取接触过程中的实际接触力F_s；

Step3：串联弹性执行器开环传递函数为通过对速度环化简，k_vp＝J_mω_sc，k_vi＝B_mω_sc，单轴伺服机电一体化简化模型为简化后系统的闭环传递函数模型为

其中，J_m为电机转动惯量，B_m为电机阻尼系数，k_s为弹簧的弹性系数，s为拉氏变换复变量算子，N为电机旋转运动转换成直线位移的转换系数，k_pp为位置环的比例系数，ω_sc为速度环的截止频率，k_vp为速度环的比例参数，k_vi为速度环的积分参数，k_p为力控制器的比例系数，k_d为力控制器的微分系数；

Step4：确定串联弹性执行器重力的大小mg，同时算出不同姿态下重力与接触力方向之间夹角α的余弦值cosα，cosα表达式为