黄 洋

(安徽粮食工程职业学院机电工程系,安徽 合肥 230011)

0 引 言

近十年来,机器人在工业、服务业、特殊行业等行业占据越来越大的市场份额。同时人机交互技术也取得了非常大的成绩,尤其是在制造行业[1]。有数据显示,力矩和接触力对工业机械手末端执行器的运动控制产生较大的影响。目前常见的力控制策略包括钢量和柔量控制,但这两种方法并不能实现动态装配过程中的环境和机械臂的柔顺性[2]。与此同时,国内外在工业机械臂的柔顺控制方面已经有一些研究成果,但大多数的研究引入传感器进行结构分析,极大增加了开发成本,不利于大规模的应用[3]。此次研究在分析滑膜阻抗控制和内抗阻抗控制的方法上,提出了滑膜阻抗控制保证机械臂末端执行器的柔顺控制,进一步提升机械装配过程中的智能化、高效性、实时跟踪的特点。

1 工业机械臂末端执行器自动化装配技术

1.1 UR5机械臂运动学和动力学建模

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结合各个连杆的雅克比矩阵和机械臂对称正定的惯性矩阵即可得获取重力矩向量、科氏力矩阵、惯性矩阵。在实际运用过程中,通常会将动力学映射至笛卡尔空间,所得到动力学公式包括笛卡尔空间中的惯性矩阵、科氏力矩阵、重力矩阵。机械臂执行末端的受力情况可依据虚移功原理解决。外力可以通过关节的外部力矩进行监测,同时考虑外力作用的运动学方程为的式(5),τext是指外部力矩。

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1.2 末端执行器柔顺控制方法

此次研究通过动态模型的补偿控制实现末端执行器的精准跟踪,分为阻抗控制和位置内环阻抗控制。若执行器的力矩和接触力均不为0时,可以通过机械臂逆动力学的控制力的计算公式可以得到接触力和力矩造成了非线性耦合项。同时经过广义主动阻抗表达式可知力矩和接触力与末端执行器位姿误差的联系。广义主动阻抗以质量矩阵为主,可经阻尼矩阵和刚度矩阵对末端执行器的动态行为进行控制。非线性和耦合性是质量矩阵使得机械臂控制系统的特点。在实现环境和末端执行器的交互的式过程中,必须要及时得到相应的力矩和接触力,以保证系统的解耦和线性特点。接触力不为0时,动力学公式中引入附加项,补偿力矩和接触力,无限放大的末端执行器对环境的刚度。确保机械臂和环境交互过程中始终维持良好的柔顺性,务必要选取合理的阻抗参数。当末端执行器在空间自由运动的过程中,可以通过式(6)计算得到干扰。

KMH-1(φe)d

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KM,KD,Kp均为机械臂水平或者旋转方向的矩阵参数调整阻抗特性,H是指力矩,Δxde是指x轴向变化的位置。若机械臂的运动状态保持平稳时,既可以通过低权重参数矩阵达到抗干扰的目的,这种参数矩阵是指轻质末端执行器的刚性控制。如果出现末端执行器和刚性较大的环境进行交互时,必须要从阻抗控制中吧运动控制隔离开。运动控制以提高刚度为目标,从而增加抗干扰能力,它是确保阻抗控制中生成新的位置和方向。研究引入的期望坐标系和参考坐标系解决上述问题。参考坐标又被成为柔性坐标系,通过位置向量和旋转矩阵共同决定。同时逆动力学控制仍然是有效的。接下来分析六自由度机械臂的阻抗控制,首先需要计算质量刚体导致的惯性力,然后计算耗散阻尼力,最后计算机械臂连杆作用的力。

2 自动化装配控制性能分析

实验首先进行UR5机械臂执行末端的外力测算和碰撞检测效果,为了便于验证效果,将工作区间约束在二维平面,且末端执行器设置在z轴方向上运行,从初始位置开始向下运行。

当末端执行器和障碍物发生碰撞时后,然后逐渐返回到初始位置。整个过程碰撞发生两次。机械臂的关节角度随时间的变化情况如图1(a)所示,在整个实验过程中,6.5s和18s后,2,3,4关节角度变化非常大,关节角度分别为-2rad,-1.75rad,-0.9rad。鉴于机械臂的期望轨迹在xoz平面,1,5,6关节角度未发生变化。机械臂的关节角加速度随时间的变化情况如图1(b)所示,2,3,4关节的角加速度变化非常明显,相应的角加速度分别为4.2rad/s*s,3rad/s*s,-7.8rad/s*s。当机械臂末端执行器接触障碍物时,2,3,4关节运动收到非常大的阻碍,导致加速度发生非常大的变化。而1,5,6关节角度未发生明显的变化,加速度均维持在±0.1rad/s*s。

图1 机械臂关节角度和角加速度变化

图2 机械臂关节的力矩变化

机械臂关节的力矩随着时间的变化情况如图2所示。当时间从0s到6.5s,关节2的力矩从25Nm变化到30Nm,关节3的力矩从18Nm变化到15Nm。但当时间为6.5s或者18s,关节2的力矩从30Nm猛增至45Nm左右,关节3的力矩从15Nm猛增至25Nm左右。而关节4,5,6的关节力矩也未发生变化,这是因为关节加速度几乎为0。

实际接触力和虚拟力观测器估算的对比情况如图3(a)所示。依据幅值的情况可以看出,虚拟器观测到外力基本上可以体现实际的接触力。图3(b)是指外力估计和实际值的差距。机械臂和环境未出现接触情况下,估计力的误差较小。而出现障碍物接触时,误差较大。同时数据采集过程中存在严重的影响因素导致误差偶尔出现较大值。

图3 机械臂接触力估计结果

3 结 论

自动装配目前被广泛应用于工业机器人的智能化生产中,它起到了越来越重要的作用。此次研究针对工业机械臂末端执行器在自动装配技术中存在的问题,提出一种自动化柔顺阻抗控制方法。该方法以UR5机械臂为例建立运动学和动力学模型,同时分析机械臂的广义动力和关节干扰力矩以实现外力估算,并在优化后的内环阻抗控制的基础上建立滑膜控制方法。UR5机械臂在垂直碰撞过程中,2,3,4关节角度在时间为6.5s和18s的变化最大,1,5,6关节角度未变化最大。当时间为6.5s或者18s,关节2的力矩从30Nm猛增至45Nm左右,关节3的力矩从15Nm猛增至25Nm左右。实际接触力可以通过虚拟力观测器估算得到,偶尔出现的误差是其他因素的影响。