[发明专利]一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法

权利要求书

1.一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、针对装配组件的插入阶段，结合阻抗控制原理进行动力学建模；

步骤二、在笛卡尔空间对机械臂的组件装配系统建立基于位置的阻抗控制器模型；

步骤三、对基于位置的阻抗控制器模型增加叠加振荡力，并分析叠加振荡力效果；

步骤四、建立具有叠加振荡力的笛卡尔阻抗控制器模型；

所述对基于位置的阻抗控制器模型增加叠加振荡力具体为：在机械臂工作的每个笛卡尔自由度分别增加叠加振荡力从而使机械臂产生相应的运动，所述叠加振荡力在振荡时会产生相应的振荡作用，所述叠加振荡力为叠加正弦振荡力，所述叠加正弦振荡力会使末端产生正弦振荡的位移；所述叠加正弦振荡力是指一种以一定的幅度和频率输出的大小和方向呈周期性变化的力的形式，是一种特殊形式的振荡力；

所述建立具有叠加振荡力的笛卡尔阻抗控制器模型具体为：叠加振荡力添加于外环输入期望力的地方，即阻抗控制的期望力变为原期望力与振荡力的向量叠加，记为F′_r，使阻抗控制的机械臂在阻抗关系特性下输出带有持续范围力波动的接触力，从而使机械臂末端位置产生带有振荡的位移x′。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

采用“质量-弹簧-阻尼”模型来描述阻抗控制原理，如式(1)所示，其数学模型表示为如下二阶微分方程：

其中：M_d、B_d、K_d分别代表期望阻抗模型的惯性、阻尼和刚度矩阵；F_e、F_r分别表示机械臂末端实际接触力和期望力；X、分别表示机械臂的实际位置、速度和加速度；X_r、分别表示产生期望力F_r的期望位置、速度和加速度；E_f表示机械臂实际接触力与期望力的偏差；

对式(1)进行拉氏变换，经整理得，力偏差与位置偏差间的传递函数即期望的阻抗特性为：

将所期望的阻抗参数M_d、B_d和K_d设为半正定矩阵，对其中的任意自由度进行阻抗分析，选取参数M_d、B_d、K_d、X、X_r和E_f中的元素m_d、b_d、k_d、x、x_r和e_f，故式(1)可进行如下描述：

考虑机械臂处于自由空间的环境状态时，其末端接触力f_e为0，由此可得：

若此时期望力f_r的值也为0，则当系统稳定时，x→x_r，故可实现期望运动轨迹的跟踪控制；若机械臂处于约束空间时，则此时末端会产生接触力，且会由于力偏差e_f产生位置偏差变化量Δx，对目标的运动轨迹进行修改，从而实现机械臂末端接触力的调整；

忽略环境的阻尼因素时，动力学模型为：

F_e＝K_e(X-X_e) (5)

其中，X、X_e和F_e均为6*1维向量，分别代表机械臂末端实际位置、环境接触面参考位置和对环境的作用力；K_e为6*6维正定对角的环境刚度矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二具体为：系统中的整个控制结构划分为两层：内部的位置控制层与外部的阻抗控制层；在外部阻抗控制环中，由机械臂末端的六维力矩传感器来测量机械臂的受力F_e，再通过期望阻抗关系来得到基于位置的阻抗控制器模型：

其中x_r为笛卡尔空间下期望的位置，x_d为控制系统位置控制器部分的输入值。