一种面向直接示教的机械臂零力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向直接示教的机械臂零力控制方法，包括：S1、建立具有n个柔性关节的n自由度机械臂动力学模型；S2、构建所述机械臂的控制器，所述控制器用于进行重力补偿以及降低惯性力和摩擦力对所述柔性关节的影响；S3、辨识所述控制器中的重力项。本发明专利技术中的控制方法不仅可以补偿机械臂的重力，而且可以减小关节的自身的惯性力和摩擦力的影响，且方法简单，计算量较小，便于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种面向直接示教的机械臂零力控制方法
本专利技术涉及机器人控制
，尤其是涉及一种面向直接示教的机械臂零力控制方法。
技术介绍
随着机器人技术的发展，机器人在社会生产、生活服务等各方面扮演着越来越重要的角色。在一些领域中机器人已经能够代替人类从事一些繁重、重复、危险的活动，从而加快了自动化进程。近年来国内对工业机器人的应用需求也呈快速增长的趋势，在“工业4.0”和“中国制造2025”的背景下，为了适应现代工业快速多变的特点以及满足日益增长的复杂性要求，机器人不仅要能长期稳定地完成重复工作，还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性的特点。然而，目前的大多数工业机器人都工作于和人类分开的空间中，人类只能通过示教板或者编程来使其实现特定的轨迹。由此引发了人们对于人机互动机器人的兴趣，产生了一种新的示教形式，能够使人和机器人在同一空间内进行人机互动，即直接示教技术。人机互动是工业机器人发展的一个重要领域，而直接示教是人机互动的一个重要发展方向，也是工业机器人继续发展与创新的一个重要方面，所以直接示教技术正在向利于快速示教编程和增强人机协作能力的方向发展。工业机器人的示教就是操作者采用各种示教方法事先“告知”机器人所要进行的动作信息和作业信息等，这些信息大致分为四类：1)机器人位置和姿态信息，轨迹和路径点的信息；2)机器人任务动作顺序信息；3)机器人动作、作业时的附加条件信息；4)机器人的作业内容和机器人动作的速度、加速度等信息。现有的机器人示教大致可分为实际机器人示教和虚拟机器人示教两大类，而在实际应用中机器人示教方式广泛使用的是示教盒示教，几乎所有的工业机器人都会配备专门的示教盒。示教盒示教是指通过操纵机器人专配的示教盒上的按键等可操作按钮，实现远距离控制机器人，来控制其完成预定的各种动作以及定位。这种示教方式除了能够对机器人的位置和姿态进行示教，还可以实现机器人的动作顺序以及作业条件内容等的示教。然而，使用该方式进行示教，操作机器人很难连续精确地沿着复杂的运动轨迹进行运动，一般只能对运动轨迹上的若干点进行示教，然后通过插补算法计算出示教点中间的轨迹。可以看出，该方法要求操作者具有一定的机器人技术知识和经验，示教效率较低，另外对于需要实现复杂运动轨迹的示教来说，该方式也同样不适用。直接示教是相对于示教盒示教而言的，即由人手直接拖动机器人手臂，使机器人按照人的意愿完成特定动作的一种示教方式。根据示教过程中关节电动机的状态不同，直接示教可分为功率级脱离示教和伺服级接通示教。功率级脱离示教即机器人关节电动机处于自由状态，由人直接搬动机器人手臂，使机器人沿着人们设定的轨迹运动；伺服级接通示教是机器人关节处于被控制状态下的一种示教方式。由于功率级脱离示教的劳动强度大，因而工业机器人的直接示教普遍采用伺服级接通示教，并且常在机器人末端加装多位传感器来传达操作者的示教意图，引导机器人运动。与示教盒示教相比，直接示教法可以无需操作者过多掌握机器人的相关知识及经验，操作简单且快速，使得示教过程高效、实用。在直接示教过程中，为了让操作人员使用较小的力来完成对机器臂的牵引示教，因此常采用零力控制方法，即采用各种算法对机械臂进行自身重力、摩擦力、惯性力等的补偿，使机械臂顺应外力作用运动，就好像它处在一个不受重力和摩擦力等环境下的控制。例如，日本研究者Tungpataratanawong等人于2005年针对工业机器人提出了一种基于阻抗控制策略的免力矩传感器的方案来处理机器人与环境(包括人)接触时的问题。根据其实验结果，该方案可以快速并准确检测到外力，并调整位置环和速度环给定，从而使机器人在操作者用手拖动机械臂时顺应操作者意图到达目标点，在此基础上可以完成免力矩传感器的机器人直接示教。然而，由于该方案原理是基于笛卡尔空间阻抗控制，因此只能实现对机器人末端位置的示教，而不能实现机器人任意姿态的示教。此外，由于其观测器和控制器设计比较复杂，需要对原机器人控制器作相应改变，实现起来也有一定难度。再如，Goto等人提出的FFC方法中，提出基于力矩控制的零力控制方法来实现对轻型机器人的直接示教。研究中作者采用的是重力与摩擦力补偿，并提出了重力矩的自测量方案以及摩擦力矩的计算方案，在自制的小型平面二自由度机器人样机上实验表明该力矩补偿效果较明显。然而，作者提出的重力矩自测量方案和摩擦力矩计算方案都缺乏严格的理论推导，且没有推广到空间多自由度机器人；再者，该方案的本质是对机器人作直接力矩控制，通过力矩补偿来实现直接示教，力矩控制会降低系统稳定性；另外，从对动力学方程的分析可以知道，机器人示教运动中的惯性力、耦合项力都需由操作者克服，因而该方案不适用于自重较大的机器人。再如，一种基于位置控制的零力控制系统，如图1所示，图1中KP为伺服控制器的位置环增益，KV为伺服控制器的速度环增益，KT为伺服控制器的转矩常量，Mg为各关节对应重力矩，Mf为各关节对应摩擦力矩，MF为外力等效到各关节的力矩，qd为各关节位置指令值，q为各关节的旋转角度，表示各关节的角速度，表示各关节的角加速度，s表示微分环节。此例中，电动机输入力矩零力控制时各关节位置指令值从而，实时计算qd的值可实现基于位置控制的零力控制算法。该方案中提出的基于位置控制的零力控制方法，需要采用外部的多维力矩传感器来感知机械臂末端的外力，从而控制机械臂各关节的位置来达到零力控制的效果。但是多维力矩传感器安装在机械臂的末端影响了机械臂正常使用空间，操作者只能通过牵引机械臂末端力矩传感器才能对机械臂进行示教，并且基于位置控制的零力控制方法的计算量比较复杂，除此之外还需要对机械臂进行复杂的动力学建模以及模型参数的辨识，无法排除一些非线性因素的影响。再比如，一种基于力矩控制免力矩传感器的零力控制方法，其控制系统框图如图2所示，将关节电流近似等于关节力矩，建立机械臂的动力学模型，补偿重力、摩擦力达到零力控制的效果，并在二连杆上做相应的实验验证。其中，电动机输出转矩外力等效到各关节的力矩此例中，Ts表示各关节电机的输入力矩，D表示摩擦力矩阵，H为惯性项矩阵，g表示重力力矩，h表示非线性项。但该方案存在诸多缺陷，只是简单地补偿了机器人的重力矩和摩擦力矩，没有补偿惯性力项、柯氏力项、离心力项等，只能适用于轻型低速的机器人直接示教，存在很大的局限性；采用电流信号来近似代替负载力矩，虽然减少力矩传感器降低了成本，但其精度得不到保证，尤其在关节运动时两者差异加大；相关理论的验证只是在简单的二关节模型上得到验证，相关计算方案缺乏严格的理论推导，并且没有拓展到空间多自由度机器人，缺乏实验验证；需要对机械臂进行复杂的动力学建模以及模型参数的辨识，无法排除或减小一些非线性因素的影响。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的专利技术构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
为此，本专利技术提出了一种面向直接示教的机械臂零力控制方法，以解决上述机器人零力控制方案中所存在的控制精度不高、空间自由度适用性低、直接示教灵活性低的问题。本专利技术为解决上述问题所提出的技术方案如下：一种面向直接示教的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向直接示教的机械臂零力控制方法，包括以下步骤：S1、建立具有n个柔性关节的n自由度机械臂动力学模型；S2、构建所述机械臂的控制器，所述控制器用于进行重力补偿以及降低惯性力和摩擦力对所述柔性关节的影响；S3、辨识所述控制器中的重力项。

【技术特征摘要】
1.一种面向直接示教的机械臂零力控制方法，包括以下步骤：S1、建立具有n个柔性关节的n自由度机械臂动力学模型；S2、构建所述机械臂的控制器，所述控制器用于进行重力补偿以及降低惯性力和摩擦力对所述柔性关节的影响；S3、辨识所述控制器中的重力项。2.如权利要求1所述的机械臂零力控制方法，其特征在于：所述机械臂动力学模型为其中：矩阵M(q)表示机械臂的惯性项，且M(q)∈Rn×n；矩阵表示机械臂的哥氏项，且K表示n个柔性关节的刚度系数矩阵；矩阵G表示机械臂柔性关节的重力项，且G∈Rn；q、分别表示n个柔性关节的旋转角度矩阵、角速度矩阵、角加速度矩阵，且q∈Rn×n；T表示机械臂柔性关节的力矩传感器测量值矩阵，且T∈Rn；Text表示外部环境给n个柔性关节电机末端所施加的力矩的矩阵；θ表示n个柔性关节的电机转子转动角度的矩阵；表示n个柔性关节的电机转子转动加速度的矩阵，且J表示n个柔性关节的电机转子转动惯量矩阵；Tf、Tm分别表示所述柔性关节的摩擦力矩矩阵和电机输入力矩矩阵，且Tf,Tm∈Rn。3.如权利要求2所述的机械臂零力控制方法，其特征在于：步骤S1中基于所述柔性关节的动力学模型来构建所述机械臂动力学模型，所述柔性关节的动力学模型为其中：M表示与柔性关节相连的下一连杆及负载的转动惯量；θ表示柔性关节的电机转子转动角度；表示柔性关节的电机转子转动加速度；为库伦摩擦力，Tv·θ为粘滞摩擦力；4.如权利要求3所述的机械臂零力控制方法，其特征在于：步骤S2构建的所述控制器的模型为Tm＝T+Kt·(G-T)其中，Kt＝diag(Kt1,Kt2,…,Ktn)，Kti表示第i个柔性关节的控制系数，i＝1,2,…,n。5.如权利要求4所述的机械臂零力控制方法，其特征在于：根据所述控制器的模型，得到从而，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚德，董伉伉，朱晓俊，陆伟峰，王学谦，梁斌，阮见，刘思成，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44