[发明专利]一种基于阻抗补偿预测控制的机器人振动抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于阻抗补偿预测控制的机器人振动抑制方法，包括以下步骤：基于机器人‑气动末端执行器动力学模型建立阻抗补偿关系；根据阻抗补偿关系结合动态矩阵预测算法设计阻抗补偿预测控制器；气动末端执行器与工件接触，机器人产生振动将相应传感器得到的位移信号和力信号输入阻抗补偿预测控制器；将阻抗补偿预测控制器作用于工业机器人加工过程气动末端执行器力控制中，对末端接触力和振动补偿力滚动优化，实时振动补偿。本发明解决了工业机器人携带力控末端执行器与工件刚性接触的整个加工过程中机器人的振动问题，解决了振动引起的力波动、力过冲和加工质量降低的问题。

技术领域：

本发明涉及机器人制造控制领域，特别是涉及一种基于阻抗补偿预测的、利用力控末端执行器的机器人振动抑制方法。

背景技术：

机器人加工灵活、生产效率高，逐渐取代加工质量不稳定且难以满足生产量需求的人工加工，已在世界范围内对其相继开展了多种研究，在多领域中得到应用。

机器人加工方式根据使用的末端执行器不同，可以分为机器人直接带刀具加工和机器人带力控末端执行器两种。前者的加工精度受机器人定位精度影响，导致叶片加工质量难以达到技术要求。而后者构成了宏-微结构加工系统，由于其末端执行器具有独立自由度，因此能够在机器人进行位置定位的基础上进一步实现精准控制。

机器人轻量化设计与其复杂的传动系统造成了机器人低刚度的特点，该特点导致了在机器人末端与刚性接触的过程中出现振动现象，在加工过程中机器人的振动会传递到末端，产生路径偏差与接触力波动，严重影响加工质量。力控末端执行器包括支撑部分、进给部分、导向部分和旋转部分。其中连接法兰与机器人腕部相连，上下底板安装其余部分。通过对电气比例阀施加电压来控制气缸的进气量，气缸杆伸缩带动气动主轴在导向杆的约束下完成加工。因此，末端执行器为气动末端执行器。刀具的旋转运动由气动主轴提供。

目前，为抑制机器人加工过程的振动，常对机器人进行建模分析及关节控制，如公开号为CN109202884A的专利公开了一种机器人振动抑制方法。该方法包括如下步骤：实时采集柔性机器人各个关节的运动数据；根据所采集的各个关节的运动数据，建立机器人刚体、关节变形的动力学方程及机器人末端期望轨迹的动力学方程，通过求解逆动力学计算得到所需的关节力矩值；根据机器人本体柔性的期望阻尼矩阵，进行关节驱动力矩优化，得到优化的关节力矩值；根据所优化的关节驱动力矩值，进行关节力矩控制，从而实现机器人振动抑制。但是由于该专利是对机器人本体进行控制，需要修改机器人控制算法来抑制机器人振动，由于多数机器人不开源所以难以实现，此外需要控制的关节和自由度数量较多，动力学建模困难，导致了机器人的控制问题非常复杂，当环境出现扰动时，控制效果将大幅降低。

国内外一些研究人员通过增加减振器或减振材料来抑制振动，但由于减振器自己有一套控制系统且有额外的输入能量，导致减振系统可能成为二次振动源，反而使系统性能下降。针对特定的工件设计夹具和辅助支撑的减振方法，依赖于特定的工件材料和结构，并不具有普适性，此外，设计末端执行器减振结构的方法无法实现振动的实时控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于阻抗补偿预测控制的机器人振动抑制方法，对机器人加工过程的振动进行实时抑制，使机器人末端与工件柔性接触，提高加工质量。

为了实现上述目的，本发明包括以下步骤：

一种基于阻抗补偿预测控制的机器人振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于机器人-气动末端执行器加工动力学模型建立阻抗补偿关系，阻抗补偿关系为：

y_S(s)＝-(B_rs+K_r)×x(s)