一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法技术

本发明专利技术属于机器人控制相关技术领域，并公开了一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法。该方法包括：S1以机器人在笛卡尔空间中的末端位置、末端速度和末端力为状态变量，待加工工件的阻抗参数与机器人的末端扰动参数为观测变量，构建机器人

【技术实现步骤摘要】
一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法


[0001]本专利技术属于机器人控制相关
，更具体地，涉及一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法。

技术介绍

[0002]随着智能制造的发展，智能化机器人在工业制造中被广泛使用以代替人类实现加工、搬运、装配等任务，从而减轻人的负担，提升加工效率和灵活性。在机器人执行与环境的交互式任务时，由于机器人本身刚性低，采用传统的轨迹控制方法时，机器人与环境的接触容易造成系统不稳定现象。研究合理的柔顺控制策略，可以提升机器人对环境的适应性。机器人阻抗控制是一种柔顺控制方法，通过弹簧
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质量
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阻尼模型建立机器人末端位置与接触力的响应方程，可以通过改变末端的位置调节机器人与环境之间的作用力。传统的机器人阻抗控制策略采用定阻抗参数，具备一定的柔顺性，然而随着航空、交通、电力工业的发展，工件变的越来越大、越来越薄，造成低刚度与不完全装夹的情况，在加工时容易出现变形和振动现象。采用固定阻抗策略，在环境阻抗发生变化时，控制器的表现就会变差，甚至出现失稳的现象。因此需要研究变阻抗控制策略，实时调整机器人的阻抗参数以响应环境阻抗的变化，而环境的阻抗参数是未知的，所以需要通过设计观测器实时估计环境的刚度，通过观测的环境刚度设计变阻抗控制器，才能保证系统的稳定性，提升工件的加工质量。
[0003]专利CN202010650259.6提出了一种阻抗控制方法、装置、阻抗控制器和机器人，该方法具备柔顺控制特性，可实现恒力加工，但是却是定阻抗控制方法，机器人的阻抗参数是固定的，在环境阻抗参数变化时，无法自动调节机器人的阻抗参数，机器人的稳定性和与环境的接触效果都难以保证；专利CN201911418791.9提出了一种机器人自适应变阻尼阻抗控制方法，该方法通过改变阻抗参数中的阻尼项来补偿动力学中的不确定性因素，并消除稳态误差，然而该方法只改变了阻抗参数中的阻尼项，没有考虑刚度项，机器人会产生比较大的运动偏差，而且无法快速响应外界环境的变化，变阻尼反馈项只与跟踪误差相关，并没有考虑环境的刚度特性；专利CN201910485753.9提出了一种基于环境刚度估计的机器人自适应混合阻抗/导纳控制方法。该方法让控制器在阻抗控制和导纳控制之间进行切换，以在环境刚度高时采用阻抗控制，提升顺应性，环境刚度低时切换到导纳控制，提升位置精度，然而该方法并没有从本质上提升阻抗控制的位置跟踪精度，通过切换控制器的手段改变机器人操作的效果有限，机器人本身的阻抗参数并没有做改变来适应环境的变化。
[0004]机器人阻抗控制的策略是赋予机器人一种近似于弹簧阻尼特性的动态响应以得到期望的阻抗特性。传统的机器人阻抗控制由于存在模型误差，机器人的位置跟踪精度较低，而且采用定阻抗参数，在外部环境阻抗条件变化时，机器人阻抗性能下降，无法适用于工件刚度不断变化的场景。而现有的变阻抗控制方法仅考虑了机器人轨迹和力的跟踪效果，没有考虑环境的刚度特性和机器人受外力影响下的扰动误差，因此现有的机器人阻抗控制策略难以保证机器人加工变阻抗工件时的稳定性与加工质量。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，解决机器人在加工阻抗低的工件时，无法适用于工件阻抗不断变化的场景的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，该方法包括下列步骤：
[0007]S1在机器人末端和待加工工件接触时，利用阻抗模型对待加工工件进行建模，以此获得待加工工件的阻抗模型，同时构建机器人的动力学模型；以机器人在笛卡尔空间中的末端位置、末端速度和末端力为状态变量，待加工工件的阻抗参数与机器人的末端扰动参数为观测变量，利用所述待加工工件的阻抗模型和机器人动力学模型构建机器人
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工件的状态空间方程；
[0008]S2采集所述机器人
‑
工件的状态空间方程多个控制周期中所述状态变量的数据，利用该采集的数据构建滚动优化观测器，建立约束条件，以此对所述待加工工件的阻抗参数和机器人的末端扰动进行实时观测；
[0009]S3根据机器人阻抗参数随加工中工件阻抗变化而变化的特性，利用步骤S2中观测到的所述待加工工件的阻抗参数构建机器人变阻抗控制模型；利用步骤S2中观测的机器人末端扰动补偿所述机器人动力学模型，以此获得补偿后的机器人动力学模型；利用所述机器人变阻抗控制模型和补偿后的机器人动力学模型构建笛卡尔空间的机器人变阻抗控制率；
[0010]S4将所述笛卡尔空间的机器人变阻抗控制率转换到机器人的关节空间中，得到机器人的反馈力矩，利用该反馈力矩对机器人进行控制，以此完成机器人加工任务。
[0011]进一步优选地，在步骤S1中，所述待加工工件的阻抗模型按照下列关系式进行：
[0012][0013]其中，F表示机器人末端所受的末端力，K
e
表示环境的刚度参数，P是工件表面的实际位置，即机器人末端的位置，D
e
表示环境的阻尼参数，P
e
表示
‑
工件表面的初始位置。
[0014]进一步优选地，在步骤S1中，所述机器人
‑
工件的状态空间方程按照下列关系式进行：
[0015][0016]其中，分别为状态变量x1,x2,x3的导数，x1＝P表示机器人的末端位置，x2＝V表示机器人的末端速度，x3＝F表示机器人末端所受的末端力，M
‑1(x1)表示机器人惯量矩阵的逆矩阵，u表示机器人笛卡尔空间的输入项，C(x1,x2)表示科氏力矩阵，G(x1)表示机器人的重力矩阵，F表示机器人末端所受的外力，η表示机器人的末端扰动项，K
e
表示工件的刚度矩阵，D
e
表示工件的阻尼矩阵，刚度和阻尼参数统称为阻抗参数，表示机器人末端的加速度。
[0017]进一步优选地，在步骤S2中，所述观测器按照下列关系式进行：
[0018][0019]其中，x(t
k
‑
N+1
)表示t
k
‑
N+1
时刻的状态变量的值；表示t
k
‑
N+1
时刻状态变量x的参考值；z＝[K
e
,D
e
,η]表示观测矩阵，其包含环境阻抗参数与机器人的扰动误差；为t
k
‑
N+1
时刻的正定系数矩阵；y
r
(t
i
)表示t
i
时刻y(t
i
)的参考值；y(t
i
)表示机器人系统t
i
时刻的输出值；e
F
(t
i
)表示机器人的外力误差；R为输出项的正定矩阵，i是时刻的编号，k表示当前时刻的序号。
[0020]进一步优选地，所述x(t
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1在机器人末端和待加工工件接触时，利用阻抗模型对待加工工件进行建模，以此获得待加工工件的阻抗模型，同时构建机器人的动力学模型；以机器人在笛卡尔空间中的末端位置、末端速度和末端力为状态变量，待加工工件的阻抗参数与机器人的末端扰动参数为观测变量，利用所述待加工工件的阻抗模型和机器人动力学模型构建机器人
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工件的状态空间方程；S2采集所述机器人
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工件的状态空间方程多个控制周期中所述状态变量的数据，利用该采集的数据构建滚动优化观测器，建立约束条件，以此对所述待加工工件的阻抗参数和机器人的末端扰动进行实时观测；S3根据机器人阻抗参数随加工中工件阻抗变化而变化的特性，利用步骤S2中观测到的所述待加工工件的阻抗参数构建机器人变阻抗控制模型；利用步骤S2中观测的机器人末端扰动补偿所述机器人动力学模型，以此获得补偿后的机器人动力学模型；利用所述机器人变阻抗控制模型和补偿后的机器人动力学模型构建笛卡尔空间的机器人变阻抗控制率；S4将所述笛卡尔空间的机器人变阻抗控制率转换到机器人的关节空间中，得到机器人的反馈力矩，利用该反馈力矩对机器人进行控制，以此完成机器人加工任务。2.如权利要求1所述的一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，其特征在于，在步骤S1中，所述待加工工件的阻抗模型按照下列关系式进行：其中，F表示机器人末端所受的末端力，K
e
表示环境的刚度参数，P是工件表面的实际位置，即机器人末端的位置，D
e
表示环境的阻尼参数，P
e
表示
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工件表面的初始位置。3.如权利要求2所述的一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，其特征在于，在步骤S1中，所述机器人
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工件的状态空间方程按照下列关系式进行：其中，分别为状态变量x1,x2,x3的导数，x1＝P表示机器人的末端位置，x2＝V表示机器人的末端速度，x3＝F表示机器人末端所受的末端力，M
‑1(x1)表示机器人惯量矩阵的逆矩阵，u表示机器人笛卡尔空间的输入项，C(x1,x2)表示科氏力矩阵，G(x1)表示机器人的重力矩阵，F表示机器人末端所受的外力，η表示机器人的末端扰动项，K
e
表示工件的刚度矩阵，D
e
表示工件的阻尼矩阵，刚度和阻尼参数统称为阻抗参数，表示机器人末端的加速度。4.如权利要求1所述的一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，其特征在于，在步骤S2中，所述观测器按照下列关系式进行：其中，x(t
k
‑
N+1
)表示t
k
‑
N+1
时刻的状态变量的值；表示t
k
‑
N+1
时刻状态变量x的参考值；z
＝[K
e
,D
e
,η]表示观测矩阵，其包含环境阻抗参数与机器人的扰动误差；为t
k
‑
N+1
时刻的正定系数矩阵；y
r
(t
i
)表示t
i
时刻y(t
i
)的参考值；y(t
i
)表示机器人系统t
i
时刻的输出值；e
F
(t
i
)表示机器人的外力误差；R为输出项的正定矩阵，i是时刻的编号，k表示当前时刻的序号；所述x(t
k
‑
N+1
)按照下列关系式进行：x(t
k
‑
N+1
)＝[x1(t
k
‑
N+1
),x2(t
k
‑
N+1
),x3(t
k
‑
N+1
)]其中，t表示时间,k表示当前时刻的序号，N表示观测器的滚动时域为N个时刻，观测器采用当前时刻之前N个时刻的信息进行计算。5.如权利要求4所述的一种基于观测器的机器人变阻抗加工方法，其特征在于，所述y(t
i
)按照下列关系式进行：y(t
i
)＝[P(t
i
),V(t
i
),F(t
i
),e
F
(t
i
),η(t
i
)]
T
其中，t
i
表示第i时刻，P(t
i
)表示第i时刻对应的机器人的末端位置，V(t
i
)，表示第i时刻对应的机器人的末端速度，F(t
i
)表示第i时刻对应的机器人的末端所受的外力，e
F
(t
i
)表示第i时刻工件阻抗模型计算的力与真实外力之间的误...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，张宇豪，赵兴炜，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：