[发明专利]基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法及装置

说明书

本发明公开了基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，包括以下步骤：根据受力分析，获取各坐标系的力映射关系；通过打磨法向力和切向力关系，建立并简化接触力与传感器坐标系的力映射关系；通过打磨形变和打磨深度关系，建立打磨动力学模型；设计自适应滑模迭代控制算法，并建立力控制模型；根据力映射关系和力控制模型，设计力控制器；通过反馈力，应用力映射关系计算出打磨法向力，并输入到力控制器算出法向偏移量，再传输到控制模块；本发明使机器人砂带打磨力控制在一维力传感器上进行，避免了多维力传感器的高成本问题，同时降低了控制复杂度；应用简单，参数设置方便，有效地补偿砂带打磨时不确定性带来的误差，适用于实际打磨。

技术领域

本发明涉及机器人砂带打磨力控制的研究领域，特别涉及基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法及装置。

背景技术

作为一种精加工工序，砂带磨削既可以实现高的材料去除率，又可用于改善部件的表面粗糙度。而当砂带打磨配上多自由度的工业机器人时，就可以形成柔性制造单元，特别适合于加工表面的几何形状比较复杂的工件，如涡轮叶片或水龙头，还避免了如加工环境造成的人身健康问题，加工效率低，劳动力成本逐年增加，稳定性差，工艺一致性不够等在手工打磨和数控打磨过程中经常出现的问题。

因此，许多学者对机器人砂带打磨加工做了大量研究，其中有一部分研究针对打磨轨迹规划问题。虽然轨迹规划能在一定程度上改善工件的加工质量，但是，光进行机器人轨迹规划无法达到机器人砂带打磨的加工要求，所以需要对机器人砂带打磨进行力控制，从而得到高的材料去除率，进而提高打磨质量。

机器人砂带打磨力控制可分为被动力控制和主动力控制。其中，被动力控制主要是凭借一些辅助的柔顺机构，使机器人在与砂带轮接触时能够对打磨力产生自然顺从。该控制方法虽然能有效地提高打磨质量，却降低了力响应的动态范围和末端位置的精度。

为了克服被动力控制存在的这些不足，主动力控制便应运而生并成为如今机器人研究领域的一个主要方向。目前，针对机器人主动力控制的研究基本可以归为两类：基于传统策略的力控制和基于智能策略的力控制，其中传统的控制方法又主要分为力/位混合控制和阻抗控制。这些传统的力控制策略虽然能达到一定的控制效果，但是由于在机器人打磨中存在非线性以及大量的不确定性，导致这些控制方法很难达到满意的效果。为了克服这些问题，相关研究人员提出了可实时计算出最佳控制参数的智能控制方法，但需要一定量的训练才能达到控制效果。也有一些学者提出了自适应阻抗控制，通过直接和间接两种方法，使其在环境参数未知的情况下具有较好的力跟踪效果，但是在调节过程中过多的自适应增益参数不利于实际的应用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法。根据工件打磨时的受力情况，对打磨时刀具末端与工件之间的接触力模型进行受力分析并得到相应的力映射关系，通过讨论和验证打磨法向力与切向力之间的关系，简化力映射关系，从而建立打磨法向力与一维传感器上力的映射关系；通过探讨打磨时形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带打磨动力学模型；提出自适应滑模迭代算法，并根据算法提出相应的力控制模型，再根据力控制模型以及力映射关系设计控制器并得到具体的控制流程，从而实现控制机器人末端打磨法向力的目的。

本发明的另一目的在于提供基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制装置。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

基于一维力传感器的机器人砂带打磨恒力控制方法，包括以下步骤：

S1、根据打磨过程的受力情况，对机器人末端的打磨工件和砂带轮之间的接触力进行受力分析，获取传感器坐标系和砂带轮坐标系之间的力映射关系；通过打磨法向力和切向力的关系，建立并简化接触力与传感器坐标系上的力映射关系；

S2、通过打磨形变和打磨深度的关系，建立基于变形的机器人砂带轮打磨动力学模型；