基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，包括以下步骤：S1：机器人控制器采集六维力传感器的信息，首先对采集到的信息进行滤波处理，然后进行重力补偿，最后得到与期望力或者期望力矩值的偏差量数据；S2：根据阻抗模型将力的偏差量数据或者力矩值的偏差量数据转变为机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度；S3：根据变形的S型速度控制曲线对运动进行平滑插补，求得对应的位置函数、速度函数和加速度函数；S4：根据逆运动学进而求得关节空间中的关节角度函数；S5：将关节角度函数进行关节空间的等时同步插补后通过控制器的总线发送至伺服驱动器，进而控制机器人的动作。本发明专利技术有效提高了牵引的精度。

Speed control method of high precision traction teaching robot based on impedance model

The invention discloses a high precision impedance model based on traction teaching robot speed control method comprises the following steps: S1, robot controller collects six axis force sensor information, firstly, the collected information are filtered, and then the gravity compensation, and finally get the expected force or torque value and expected deviations of the data; S2: according to the impedance model will force deviation data or torque value deviations of the data into the mobile robot in Cartesian space velocity and angular velocity around the axis of rotation; S3: according to the S type speed deformation control curve smooth interpolation of motion, location function, corresponding to the speed and acceleration function function; S4: according to the inverse kinematics to calculate the joint angles in joint space function; S5: the angle of joint function in joint space. The time synchronous interpolation is transmitted to the servo driver via the bus of the controller, and then the robot is controlled. The invention effectively improves the accuracy of the traction.

【技术实现步骤摘要】
基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法
本专利技术涉及工业机器人领域，特别是涉及基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法。
技术介绍
手动牵引示教机器人操作是人机协作中不可或缺的一个环节，是指示教人员在笛卡尔空间中或是在关节空间中拖动机器人运动到示教点的操作。牵引示教时，机器人末端或关节需实时并精确地跟踪人拖动的意图方向，并使得机器人能够做出期望的运动状态。传统牵引示教机器人的两种直观的解决方案：基于现有的控制器二次开发接口做导纳控制或是基于力矩模式做无力矩传感器的零力拖动示教。然而，这两种方案存在以下缺点：①由于接口开发程度低，只有部分的接口函数可用，例如点到点的运动指令(MovJ或是MoveL)，无法对机器人运动过程中的速度和加速度进行控制；②基于现有的控制器二次开发接口，只能建立力偏差F与位移量x的关系，因此在每个力控周期内机器人末端都会经历“加速-匀速-减速”或是“加速-减速”的过程，因此会发现在牵引时机器人末端的运动不平滑，牵引效果表现出实时牵引效果差和牵引精度低。③基于零力控制的无力矩传感器的拖动示教而言牵引精度低，需要依赖于精确的动力学模型，况且在低速拖动时，有很多非线性的因素影响了拖动的精度，在无力矩传感器的情况下很难做到精确的牵引示教，因此也很难用在实际的工业现场。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，包括以下步骤：S1：机器人控制器采集六维力传感器的信息，首先对采集到的信息进行滤波处理，然后进行重力补偿，最后得到与期望力或者期望力矩值的偏差量数据；S2：根据阻抗模型将力的偏差量数据或者力矩值的偏差量数据转变为机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度；S3：根据变形的S型速度控制曲线对运动进行平滑插补，求得对应的位置函数、速度函数和加速度函数；S4：根据逆运动学进而求得关节空间中的关节角度函数；S5：将关节角度函数进行关节空间的等时同步插补后通过控制器的总线发送至伺服驱动器，进而控制机器人的动作。进一步，所述步骤S1中，机器人控制器采集六维力传感器的信息是在指定力控周期通过UDP通讯口读取六维力传感器的力和力矩信息。进一步，所述步骤S2中，机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度组成的矩阵用Vi表示，Vi为6*1的矩阵，矩阵Vi中前三行是机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度，后三行是机器人末端在笛卡尔空间中绕轴旋转的角速度，Vi为：式(1)中，Fzmax表示能够承受的最大六维力，Vmax表示允许的机器人末端最大的速度，Fd表示期望跟踪的六维力，F为力的偏差量，f为单调函数，S表示对角线函数为0或1的6*6的对角矩阵。进一步，所述步骤S3包括以下步骤：S3.1：根据式(2)求得位置函数θ(t)、速度函数v(t)和加速度函数a(t)：式(2)中，θi为初始位置，vi为初始速度，vi+1为期望的终点速度，t为归一化的时间，T为机器人控制器与伺服驱动器的通讯周期；S3.2：判断期望的终点速度vi+1与初始速度vi之差的绝对值是否超过Vmax：如果超过Vmax，则进行步骤S3.3；否则，结束；S3.3：判断vi是否大于vi+1：如果是，则根据式(3)重新计算位置函数θ(t)、速度函数v(t)和加速度函数a(t)；如果不是，则根据式(4)重新计算位置函数θ(t)、速度函数v(t)和加速度函数a(t)；进一步，所述步骤S5中，控制器的总线为EtherCAT总线。进一步，所述机器人控制器从上到下分为六个层次，即用户层、六维力信号采集和处理层、阻抗控制层、速度控制层、关节插补层和EtherCAT总线通讯层；其中，用户层、六维力信号采集和处理层、阻抗控制层对外开放，速度控制层、关节插补层和EtherCAT总线通讯层不对外开发。进一步，所述用户层提供用户二次开发的用户交互接口，六维力信号采集和处理层提供用户二次开发的六维力采集和处理接口，阻抗控制层提供用户二次开发的阻抗控制接口。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1)改善牵引的实时跟随效果；相比于传统的基于导纳控制的牵引而言，本专利技术可以实现实时的跟踪效果，且机器人跟随时运动平滑；2)提供开放式的二次开发接口；为用户开放的接口包括：任务层的用户交互接口、阻抗层的模型接口，用户可根据需求自己修改柔性参数和修改阻抗模型；3)提高了牵引的精度；相比于传统的基于零力控制的无力矩传感器的拖动示教而言牵引精度更高，无力矩传感器拖动示教的问题是力矩虽然经过滤波后值是相对稳定的，但是从伺服驱动器中读取的力矩值精度不高，因为没有力矩传感器做基准，因此只能达到拖动示教的趋势但是不能达到高精度的牵引示教。附图说明图1为本专利技术具体实施方式的牵引示教机器人的速度控制架构图；图2为本专利技术具体实施方式的手动牵引示教下单位力控周期的流程图；图3为本专利技术具体实施方式的阻抗控制的框图；图4为本专利技术具体实施方式的基于阻抗模型的F与v的对应关系图；图5为本专利技术具体实施方式的基于变形S型曲线的速度控制示意图；图6为本专利技术具体实施方式的基于速度控制曲线的位置、速度和加速度示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，包括以下步骤：S1：机器人控制器采集六维力传感器的信息，首先对采集到的信息进行滤波处理，然后进行重力补偿，最后得到与期望力或者期望力矩值的偏差量数据；S2：根据阻抗模型将力的偏差量数据或者力矩值的偏差量数据转变为机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度；S3：根据变形的S型速度控制曲线对运动进行平滑插补，求得对应的位置函数、速度函数和加速度函数；S4：根据逆运动学进而求得关节空间中的关节角度函数；S5：将关节角度函数进行关节空间的等时同步插补后通过控制器的总线发送至伺服驱动器，进而控制机器人的动作。其中，机器人控制器从上到下分为六个层次，如图1所示，即用户层、六维力信号采集和处理层、阻抗控制层、速度控制层、关节插补层和EtherCAT总线通讯层；其中，1)用户层主要用于与用户接口进行交互，例如与示教盒交互，该层的作用是根据用户需求设定相关的参数，如机器人柔性参数、机器人控制模式等等。2)六维力信号采集和处理层主要用于六维力信号的采集、滤波、重力补偿等。3)阻抗控制层主要建立六维力偏差值与机器人末端运动的关系，本专利技术中建立了力偏差值F与机器人末端在笛卡尔空间中运动速度v的变换关系，具体的关系式的示意图如图3所示，采用的模型为阻抗控制模型。4)速度控制层主要是根据图3所建立的模型关系在笛卡尔空间中实现基于速度曲线的平滑控制，是机器人末端在笛卡尔空间中基于阻抗模型的最终行为表现：实时跟踪效果好和控制精度高。5)关节插补层主要是在关节空间中对各轴进行等时插补同步规划，机器人最终的行为表现为运动连续且平滑。6)EtherCAT总线通讯层主要完成关节角度值向脉冲量的转换，并通过EtherCAT主站将该脉冲转换量发送给伺服从站，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：机器人控制器采集六维力传感器的信息，首先对采集到的信息进行滤波处理，然后进行重力补偿，最后得到与期望力或者期望力矩值的偏差量数据；S2：根据阻抗模型将力的偏差量数据或者力矩值的偏差量数据转变为机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度；S3：根据变形的S型速度控制曲线对运动进行平滑插补，求得对应的位置函数、速度函数和加速度函数；S4：根据逆运动学进而求得关节空间中的关节角度函数；S5：将关节角度函数进行关节空间的等时同步插补后通过控制器的总线发送至伺服驱动器，进而控制机器人的动作。

【技术特征摘要】
1.基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：机器人控制器采集六维力传感器的信息，首先对采集到的信息进行滤波处理，然后进行重力补偿，最后得到与期望力或者期望力矩值的偏差量数据；S2：根据阻抗模型将力的偏差量数据或者力矩值的偏差量数据转变为机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度；S3：根据变形的S型速度控制曲线对运动进行平滑插补，求得对应的位置函数、速度函数和加速度函数；S4：根据逆运动学进而求得关节空间中的关节角度函数；S5：将关节角度函数进行关节空间的等时同步插补后通过控制器的总线发送至伺服驱动器，进而控制机器人的动作。2.根据权利要求1所述的基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，机器人控制器采集六维力传感器的信息是在指定力控周期通过UDP通讯口读取六维力传感器的力和力矩信息。3.根据权利要求1所述的基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度和绕轴旋转的角速度组成的矩阵用Vi表示，Vi为6*1的矩阵，矩阵Vi中前三行是机器人末端在笛卡尔空间中移动的速度，后三行是机器人末端在笛卡尔空间中绕轴旋转的角速度，Vi为：式(1)中，Fzmax表示能够承受的最大六维力，Vmax表示允许的机器人末端最大的速度，Fd表示期望跟踪的六维力，F为力的偏差量，f为单调函数，S表示对角线函数为0或1的6*6的对角矩阵。4.根据权利要求1所述的基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：S3.1：根据式(2)求得位置函数θ(t)、速度函数v(t)和加速度函数a(t)：式(2)中，θi为初始位置，vi为初始速度，vi+1为期望的终点速度，t为归一化的时间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：段晋军，甘亚辉，戴先中，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32