基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，包括力规划器、阻抗控制器和力感知模块。本发明专利技术通过在力传感器信号处理环节设置双路滤波器并设置不同的滤波算法，达到了实时滤除传感器零飘或噪声引起的末端位置跟踪误差的目的和功能。在该功能作用下，机器人控制无需设计控制闭环，即可实现不低于机械臂硬件和结构所能提供的控制精度的控制效果。并且该功能无需繁琐的调参，可以实现机械臂在力控制器作用下的大范围高精度跟踪控制，并在与实体目标物理交互时，具有一定时长的被动柔顺性。具有一定时长的被动柔顺性。具有一定时长的被动柔顺性。

【技术实现步骤摘要】
基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的发展，将串联机器人装载于传统工程机械或机床的末端，利用机器人的灵活性和高精度以及工程机械的高负载和大范围移动的能力，用于实现在大范围移动空间中的精密作业成为发展趋势，如飞机机身加工、高铁车身打磨、船体外观焊接等。除了在车间环境内进行机械加工，该类设备也可用高危行业的户外高空作业，如户外架空线路带电抢修作业、爆破炸药填充等。对于户外架空线路的带电抢修作业或其他临时、紧急任务，架设多类型、高精度的测量定位系统或改造作业环境等辅助工程难以实施，这就导致机器人与作业目标之间难以实现高精度定位。这就对用于这类场景的设备的目标跟踪控制精度和柔顺性提出了很高的要求。
[0003]然而，传统的力控制系统大多采用时间变量为控制自变量并包含力闭环或末端位置闭环，尽管具备精度和柔顺，但是在非结构化环境中，由于存在大量非确定误差和障碍，环境适应相差，难以适用。而传统的位置域柔顺控制，虽然避免了时间引起的误差积分引起系统控制输入超调问题，但是为了保证高精度而采用的闭环控制构架，而闭环反馈导致机器人末端位置需要高精度的跟踪每一个目标点，若参数调试不当，不仅柔顺性较低，而且容易造成系统振荡失稳。再而单纯的位置域开环力控制，会导致末端精度受力传感器零点漂移或者噪声影响，轨迹跟踪精度低，无法满足高精度跟踪需要。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在解决传统的力控制系统或位置域柔顺控制系统在应用于户外大范围移动空间作业时具有的上述问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，包括：规划器、阻抗控制器和力感知模块；
[0007]规划器和力感知模块的输入端分别获取自身所需的机器人末端与环境交互时产生的实际参数，输出端均与阻抗控制器连接；
[0008]规划器用于在任意初始时刻进行运动规划，根据初始时刻机器人末端的实际参数生成下一个控制周期内的目标参数；
[0009]力感知模块设置有双路滤波器，双路滤波器设置有不同的滤波算法，用于利用滤波窗口时间差生成误差修正后的机器人末端的修正接触力；
[0010]阻抗控制器用于对目标参数进行控制，同时基于修正接触力实现期望机器人末端与环境接触时的柔顺表现。
[0011]进一步的，力感知模块具体包括：力参考部分和力处理部分；
[0012]力参考部分包括两个力参考器，其中第一力参考器用于生成机器人坐标系下作用于机器人坐标系的第一力参考信号，第二力参考器用于生成机器人坐标系下作用于力传感器坐标系下的第二力参考信号；
[0013]力处理部分包括双路滤波器和力转换器，双路滤波器包括并联设置的第一滤波器和第二滤波器；
[0014]第一滤波器和第二滤波器的输入端获取实际采集到的机器人末端的力信号，第一滤波器的输出端通过第一运算器连接于力转换器的输入端，第二滤波器的输出端和第二力参考器的输出端连接于第二运算器，第二运算器通过一个开关连接于第一运算器，力转换器的输出端与第一力参考器的输出端连接于第三运算器；
[0015]力转换器用于将由双路滤波器滤波处理后的基于力传感器坐标系的力信号转换为作用于机器人坐标系下的力信号。
[0016]进一步的，第二力参考信号具体为为机器人坐标系下由末端工具实时姿态和质量分布确定的作用于力传感器坐标系下的力与力矩大小，第二力参考信号的计算式如下：
[0017][0018]式中，h
r
为所述第二力参考信号，f
m
为在工具坐标系下由末端工具的质量引起的机械臂末端受到的力，T
m
为在工具坐标系下由末端工具的质量引起的机械臂末端受到的力矩，rx,ry,rz为机器人末端工具在机器人坐标系下姿态的欧拉角，R(rx,ry,rz)表示旋转向量，G为机器人末端工具的重力，G＝mg，m 为机器人末端工具的质量参数，g为重力加速度，Lt1,Lt2为向量Lt的第一个和第二个元素。
[0019]进一步的，第一力参考信号具体为机器人坐标系下由末端工具实时姿态和质量分布确定的作用于机器人坐标系的力与力矩大小，第一力参考信号的计算式如下：
[0020][0021]式中，h
b
为所述第一力参考信号，f1为在机器人坐标系下由末端工具质量引起的机械臂末端受到的力，f2,f3分别表示在机器人坐标系下由末端工具质量引起的机械臂末端受到的力矩在x、y轴上的分量，p
tool,x
,p
tool,y
分别为由机器人结构确定的正运动学模型所计算的力传感器负载端中心点的空间位置在与重力方向正交平面上的投影点位置；p
sensor,x
,p
sensor,y
分别为由机器人结构确定的正运动学模型所计算的工具质心的空间位置在与重力方向正交平面上的投影点位置。
[0022]进一步的，力转换器中作用于机器人坐标系下的力信号转换计算式具体如下：
[0023][0024]式中，h
t
为转换后的作用于机器人坐标系下的力信号，H6×1为第一运算器运算处理后输出的力信号，h
f1
为第一滤波器滤波处理后向第一运算器输出的力信号，h
f2
为第二滤波器滤波处理后向第二运算器输出的力信号， H1、H2、
…
、H6分别表示H6×1的6个元素。
[0025]进一步的，跟踪控制系统的控制步骤具体包括：
[0026]通过非接触式传感器确定机器人末端与工具的相对位置；
[0027]闭合力感知模块中的开关，启动机器人末端运动，直到机器人末端与工具对齐并预留进给距离后，断开力感知模块中的开关；
[0028]持续控制机器人末端与工具柔顺对接，直至机器人末端与工具的接口锁紧后，将工具提起移动至脱离放置工具的底座约束，此时再打开力感知模块中的开关；
[0029]在力控制作用下控制机器人末端将工具移动至作业空间内的任何位置，且在移动过程中出现任何意外碰撞时，控制机器人末端实现被动柔顺运动。
[0030]进一步的，第一滤波器的带宽低于第二滤波器。
[0031]进一步的，第一滤波器为滑动窗均值滤波器，第二滤波器为指数加权平均滤波器。
[0032]进一步的，规划器生成的下一个控制周期内的目标参数包括规划的目标位置和目标速度，计算式分别如下：
[0033]p
d
＝p(t+Δt)＝p
i
+p
Δ
sin(2πf(θ+Δt))
[0034]v
d
＝v(t+Δt)＝2p
Δ
πfcos(2πf(θ+Δt))
[0035]其中，p本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，其特征在于，包括：规划器、阻抗控制器和力感知模块；所述规划器和所述力感知模块的输入端分别获取自身所需的机器人末端与环境交互时产生的实际参数，输出端均与所述阻抗控制器连接；所述规划器用于在任意初始时刻进行运动规划，根据所述初始时刻机器人末端的实际参数生成下一个控制周期内的目标参数；所述力感知模块设置有双路滤波器，所述双路滤波器设置有不同的滤波算法，用于利用滤波窗口时间差生成误差修正后的机器人末端的修正接触力；所述阻抗控制器用于对所述目标参数进行控制，同时基于所述修正接触力实现期望机器人末端与环境接触时的柔顺表现。2.根据权利要求1所述的基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，其特征在于，所述力感知模块具体包括：力参考部分和力处理部分；所述力参考部分包括两个力参考器，其中第一力参考器用于生成机器人坐标系下作用于机器人坐标系的第一力参考信号，第二力参考器用于生成机器人坐标系下作用于力传感器坐标系下的第二力参考信号；所述力处理部分包括所述双路滤波器和力转换器，所述双路滤波器包括并联设置的第一滤波器和第二滤波器；所述第一滤波器和所述第二滤波器的输入端获取实际采集到的机器人末端的力信号，所述第一滤波器的输出端通过第一运算器连接于所述力转换器的输入端，第二滤波器的输出端和所述第二力参考器的输出端连接于第二运算器，所述第二运算器通过一个开关连接于所述第一运算器，所述力转换器的输出端与所述第一力参考器的输出端连接于第三运算器；所述力转换器用于将由所述双路滤波器滤波处理后的基于力传感器坐标系的力信号转换为作用于机器人坐标系下的力信号。3.根据权利要求2所述的基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，其特征在于，所述第二力参考信号具体为机器人坐标系下由末端工具实时姿态和质量分布确定的作用于力传感器坐标系下的力与力矩大小，所述第二力参考信号的计算式如下：式中，h
r
为所述第二力参考信号，f
m
为在工具坐标系下由末端工具的质量引起的机械臂末端受到的力，T
m
为在工具坐标系下由末端工具的质量引起的机械臂末端受到的力矩，rx,ry,rz为机器人末端工具在机器人坐标系下姿态的欧拉角，R(rx,ry,rz)表示旋转向量，G为机器人末端工具的重力，G＝mg，m为机器人末端工具的质量参数，g为重力加速度，Lt1,Lt2为向量Lt的第一个和第二个元素。
4.根据权利要求3所述的基于双路滤波器的串联机械臂精确柔顺开环跟踪控制系统，其特征在于，所述第一力参考信号具体为机器人坐标系下由末端工具实时姿态和质量分布确定的作用于机器人坐标系的力与力矩大小，所述第一力参考信号的计算式如下：式中，h
b
为所述第一力参考信号，f1为在机器人坐标系下由末端工具质量引起的机械臂末端受到的力，f2,f3分别表示在机器人坐标系下由末端工具质量引起的机械臂末端受到的力矩在x、y轴上的分量，p
tool,x
,p
tool,y
分别为由机器人结构确定的正运动学模型所计算的力传感器负载端中心点的空间位置在与重力方向正交平面上的投影点位置；p
sensor,x
,p
sensor,y
分别为由机器人结构确定的正运动学模型所计算的工具...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杨，吴晖，吴昊，麦晓明，施泽宇，
申请(专利权)人：南方电网电力科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：