[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

说明书

本发明提出了一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法，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。本发明方法可以对装配组件插入阶段的位姿偏差进行调整，明显减小由于装配间隙小和外界对末端扰动等带来的装配阻力，避免阻塞，使装配更加柔顺，解决了机械臂小间隙插拔装配的柔顺性问题。本发明可广泛应用于多种机器人装配任务中，过程简单，易于实现。

技术领域

本发明属于机器人控制领域，特别是涉及一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法。

背景技术

随着机器人技术的迅速发展，利用机械臂进行自主装配越来越受到科研人员的重视。对于一些特殊环境下的装配任务，机械臂能够极大地减轻人类工作压力并高效地完成装配任务，尤其可以避免人在极端环境下工作的危险。因此，机器人自主装配技术成为当今研究的热点之一。

特别对于空间在轨装配等特殊环境下的小间隙高精度装配任务，机器人所采用的装配控制方法就显得尤为重要。一般装配任务大致可划分为接近与插入两个阶段，在不同的阶段对机械臂的控制方法需求不同。在接近阶段，为保证机械臂的高精度定位，一般采用位置控制方法；在插入阶段，机械臂与刚性环境发生接触，需要机械臂具有一定的柔顺性，一般采用柔顺控制方法。机械臂携带操作工具与外界环境接触的过程中会产生相互作用力，采用柔顺控制的机械臂可以顺应外力作用，从而很好地保护机械臂和目标的安全。因此研究装配控制方法尤其是插入阶段的柔顺控制方法具有重要的应用前景。

实现机械臂柔顺性能的方法主要有被动柔顺与主动柔顺两种。被动柔顺的核心思想是能量的转换，利用如弹簧、阻尼器等机械结构来吸收或储存外界所做的功，使机械臂在与外界刚性环境接触时可以在力的作用下产生被动运动，从而表现出一定的柔顺性。但由于其本身的局限性，难以实现较高精度的控制。主动柔顺控制是新兴智能制造中的一项关键技术，一般分为力/位混合控制和阻抗控制。力/位混合控制虽然理论明确，但在实际工程中较难实现。阻抗控制可分为基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制。基于位置的阻抗控制策略适用于中高刚度场合；而基于力的阻抗控制需要机械臂精确的动力学模型和阻抗模型，鲁棒性和可靠性也不如基于位置的阻抗控制。另外由于外部环境刚度未知且变化无法预知，精确的阻抗控制参数较难寻找，当面对高精度组件的插入装配任务时，较小的装配间隙、难以避免的小范围误差和末端扰动等使装配过程很容易发生阻塞，从而降低了自主装配的成功率。因此，本发明在基于位置的笛卡尔阻抗控制基础上，提出了一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提供一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法。本发明在基于位置的笛卡尔控制基础上引入了叠加的振荡力，使小间隙装配不易发生阻塞，实现了机械臂插入装配中后期的柔顺性，使机械臂能够顺利进行装配组件的精密插入装配或拆换任务。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种面向机器人装配的叠加振荡力笛卡尔阻抗控制方法，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。

进一步地，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：