基于主動(dòng)柔順控制的工業(yè)機(jī)器人直接示教研究*

史景飛，王大慶，閆法領(lǐng)，高理富

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系,合肥 230026)

基于主動(dòng)柔順控制的工業(yè)機(jī)器人直接示教研究*

史景飛1,2，王大慶1,2，閆法領(lǐng)1,2，高理富1

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系,合肥 230026)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直接牽引示教功能，對(duì)機(jī)器人直接示教問(wèn)題進(jìn)行了研究，在ER6C60工業(yè)機(jī)器人上開(kāi)發(fā)了基于拖曳的機(jī)器人直接示教系統(tǒng)。機(jī)器人直接示教系統(tǒng)采用了基于位置調(diào)整的主動(dòng)柔順控制方法，能夠通過(guò)力/力矩傳感器檢測(cè)操作者的示教牽引力，將力坐標(biāo)變換后的力信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端執(zhí)行器位置的調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的順應(yīng)性跟蹤控制。上位機(jī)采用基于VC++的網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人直接示教功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人直接示教系統(tǒng)的有效性和通用性。

主動(dòng)柔順控制；直接示教；力/力矩傳感器；工業(yè)機(jī)器人

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在柔性制造等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)于打磨等應(yīng)用領(lǐng)域，必須引入力反饋控制[2]，以順應(yīng)外部環(huán)境。

多數(shù)工業(yè)機(jī)器人只能通過(guò)示教器等完成機(jī)器人軌跡的示教操作，效率較低。機(jī)器人直接示教[3]是指示教人員直接與末端執(zhí)行器接觸，通過(guò)牽引末端工具完成示教任務(wù)。機(jī)器人直接示教的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于機(jī)器人主動(dòng)柔順控制的阻抗控制策略[4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)牽引力的順應(yīng)性跟蹤。

機(jī)器人直接示教可以分為基于力傳感器的直接示教和免力矩傳感器的直接示教兩種形式。胡建元、黃興漢[5]等人利用力傳感器檢測(cè)外部力信息，將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人位置量的方法，在五關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了順應(yīng)性跟蹤控制。Kushida[6]等人提出采用實(shí)時(shí)重力、摩擦力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)免力矩傳感器的直接示教。Daisuke[7]等人提出了一種自由力控制的方法，牽引末端工具運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。徐建明[8]等人利用六維力傳感器檢查外部力信息，將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)速度修正量的方法，實(shí)現(xiàn)了順應(yīng)性跟蹤示教。劉昆[9]等人利用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，將得到的關(guān)節(jié)空間力分量轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了直接示教。吳威[10]等人采用力傳感器信號(hào)修正機(jī)器人的位置量，利用機(jī)器人順應(yīng)性跟蹤控制，在焊接機(jī)器人示教得到應(yīng)用?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于基于免力矩傳感器以及力矩補(bǔ)償方法的直接示教，過(guò)程繁瑣，動(dòng)力學(xué)方程求解等存在困難，難以在實(shí)際過(guò)程中進(jìn)行力矩補(bǔ)償。另外由于機(jī)器人控制器封閉性等原因，基于力傳感器速度調(diào)節(jié)的直接示教難以應(yīng)用到其他機(jī)器人上。

在不改動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，采用位置控制可以實(shí)現(xiàn)直接示教。本文采用了基于主動(dòng)柔順控制的機(jī)器人直接示教方法，在機(jī)器人末端安裝六維力傳感器檢測(cè)外部力信息，通過(guò)力坐標(biāo)變換得到工作坐標(biāo)系的力信號(hào)，將得到的力信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置修正量，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的直接拖曳示教。該方法對(duì)機(jī)器人控制器沒(méi)有特殊要求，通用性較好。

1 直接示教系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文直接拖動(dòng)系統(tǒng)主要由多維力傳感器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、示教把手等部分構(gòu)成。其中力傳感器安裝在機(jī)器人末端，檢測(cè)機(jī)器人末端執(zhí)行器受到外部的力/力矩信號(hào)。傳感器網(wǎng)絡(luò)盒主要完成力傳感器信號(hào)的調(diào)理以及和計(jì)算機(jī)的通信。本系統(tǒng)所使用的工業(yè)機(jī)器人系安徽埃夫特智能裝備有限公司的ER6C60通用型6R工業(yè)機(jī)器人。下面分別介紹系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。

1.1 ER6C60機(jī)器人

作為機(jī)器人直接示教系統(tǒng)的主要組成部分，ER6C60工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)定位精度高、運(yùn)動(dòng)范圍空間大、末端負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)。其中機(jī)器人本體以及機(jī)器人示教器分別如圖1所示。

(a)ER6C60機(jī)器人 (b)示教器 圖1 ER6C60機(jī)器人及示教器

機(jī)器人示教器功能強(qiáng)大，提供了通用顯示區(qū)、人機(jī)對(duì)話(huà)顯示區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)位置狀態(tài)的控制與通信等。總體而言，ER6C60機(jī)器人系統(tǒng)功能全面，能夠滿(mǎn)足實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 力傳感器系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)力信息的獲取，系統(tǒng)安裝了六維力傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)力信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。為了提高機(jī)器人直接示教系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，機(jī)器人通信采用TCP協(xié)議方式。計(jì)算機(jī)與機(jī)器人控制器通信時(shí)，計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器端，機(jī)器人作為客戶(hù)端，采用TCP實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)的通信。計(jì)算機(jī)讀取力傳感器數(shù)據(jù)時(shí)作為客戶(hù)端，基于TCP協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)、機(jī)器人、力傳感器各自IP地址和端口設(shè)置的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在實(shí)際力信號(hào)采集顯示中，可以使用系統(tǒng)自帶的上位機(jī)采集顯示程序或者基于TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

圖2 機(jī)器人直接示教系統(tǒng)通信框圖

2 力信號(hào)檢測(cè)與力坐標(biāo)變換

為了準(zhǔn)確的檢測(cè)外部示教力，系統(tǒng)采用六維力傳感器安裝在加持工具末端，通過(guò)手柄檢測(cè)外部操作者的力信息，實(shí)現(xiàn)力信號(hào)的快速檢測(cè)。

2.1 力信號(hào)檢測(cè)

系統(tǒng)采用的六維力傳感器采用硅應(yīng)變計(jì)形式檢測(cè)外部形變量，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后將電壓信號(hào)V轉(zhuǎn)變?yōu)榱π盘?hào)F，即有：

F=C·V

(1)

其中，F(xiàn)為傳感器力矢量，C為傳感器標(biāo)定矩陣，V為電壓信號(hào)矢量。

根據(jù)力傳感器命令字的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程不難實(shí)現(xiàn)力傳感器信號(hào)的讀取。

2.2 力坐標(biāo)變換

通常力傳感器測(cè)量的力信號(hào)是在傳感器坐標(biāo)系下的結(jié)果，為了獲得所需要坐標(biāo)系力信息，需要完成力的坐標(biāo)變換。

下面簡(jiǎn)要介紹基于虛功原理的力坐標(biāo)變換的一般形式[11]。假設(shè)傳感器力和力矩矢量記為：

(2)

采用齊次坐標(biāo)描述坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿，則有：

(3)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算定義旋轉(zhuǎn)子矩陣R，平移子矩陣D，分別為：

(4)

(5)

根據(jù)虛功原理理論則有：

(6)

以上即為基于虛功原理的力坐標(biāo)變換形式，實(shí)現(xiàn)了不同坐標(biāo)系下力矢量的表示。

(7)

ER6C60機(jī)器人采用ZYX歐拉角表示機(jī)器人末端執(zhí)行器坐標(biāo)系相對(duì)基坐標(biāo)系的姿態(tài)即:

(8)

(9)

其中，h,l為力傳感器安裝板的幾何尺寸，α為傳感器安裝板與機(jī)器人末端坐標(biāo)系的相對(duì)角度值；等式中cα=cosα，sα=sinα，其余類(lèi)同。

根據(jù)傳感器的實(shí)際情況計(jì)算了力傳感器坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，結(jié)合力坐標(biāo)變換原理可以得到實(shí)際需要的力矢量的表示。

3 順應(yīng)性控制原理

基于主動(dòng)順應(yīng)跟蹤控制的機(jī)器人直接示教系統(tǒng)可以分為基于力/力矩傳感器的直接示教和免力矩傳感器的直接示教[12]?；诹鞲衅鞯臋C(jī)器人順應(yīng)性跟蹤控制能夠精確檢測(cè)外力大小，靈敏度較高，穩(wěn)定性較高。本系統(tǒng)采用基于力/力矩傳感器的直接示教。

基于力/力矩傳感器的直接示教的控制策略主要分為兩種，一種是將力傳感器檢測(cè)的力矢量信息經(jīng)過(guò)力坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)換為機(jī)器人關(guān)節(jié)速度的調(diào)節(jié)量，從而實(shí)現(xiàn)順應(yīng)性控制。另一種為將力傳感器測(cè)量的力信號(hào)經(jīng)過(guò)力坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端位置修正量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)順應(yīng)性控制。

由于實(shí)際機(jī)器人控制不開(kāi)放力矩控制和速度控制功能，為了實(shí)現(xiàn)基于順應(yīng)性控制的直接示教，我們只能采取基于位置控制策略實(shí)現(xiàn)。

基于位置的順應(yīng)性控制主要利用力控制器將力差值信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人位置調(diào)整量，通常可以采用比例控制或者PI控制器實(shí)現(xiàn)[13]。下面介紹基于位置控制的順應(yīng)性控制算法，如圖3所示為基于位置控制的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 基于位置控制的順應(yīng)性控制結(jié)構(gòu)框圖

為了在機(jī)器人位置控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)直接示教，需要加入力反饋控制，通過(guò)力外環(huán)的反饋使得機(jī)器人能夠感知外界的牽引力，利用柔順控制策略實(shí)現(xiàn)經(jīng)力坐標(biāo)變換的力矢量與機(jī)器人末端位置或速度量的轉(zhuǎn)換。

力傳感器安裝在機(jī)器人末端測(cè)量得到外部操作者示教力，經(jīng)過(guò)濾波等處理后進(jìn)行力坐標(biāo)變換得到我們實(shí)際需要的基坐標(biāo)系下力矢量Fr，與期望力矢量Fd進(jìn)行作差值，得到力差值信息ΔF。

根據(jù)上述關(guān)系式則有:

ΔPF=Kf·ΔF=Kf·(Fd-Fr)

(10)

Pk+1=Pk+ΔPF

(11)

其中，Pk+1為調(diào)整后末端位置量，Pk為當(dāng)前末端位置量，ΔPF為位置末端調(diào)整量，F(xiàn)d為期望的力矢量，ΔF為力差值矢量。

上述內(nèi)容為基于位置控制的直接示教的主要原理。在不改變機(jī)器人控制器基礎(chǔ)上，我們通過(guò)力反饋環(huán)使得機(jī)器人能夠檢測(cè)末端的牽引力，采用主動(dòng)柔順控制的位置控制策略，將力坐標(biāo)變換的力矢量轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端位置調(diào)整量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)牽引力的順應(yīng)性跟蹤。

基于位置控制的順應(yīng)性跟蹤控制效果的好壞主要取決于柔順矩陣Kf的取值是否合適。關(guān)于柔順矩陣的選取，胡建元、黃興漢[14]等人提出了剛度矩陣測(cè)量的方法，并給出了柔順矩陣取值的一般性原則。

本文柔順矩陣元素選取主要參考上述文獻(xiàn)中的有關(guān)原則，同時(shí)結(jié)合實(shí)際操作者示教效果調(diào)整矩陣元素取值選取適當(dāng)?shù)娜犴樉仃嚒?/p>

4 直接示教系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)直接示教功能，上位機(jī)編程采用基于MFC對(duì)話(huà)框的網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)，主要可以分為服務(wù)器端、客戶(hù)端等部分。其中上位機(jī)客戶(hù)端程序是指基于UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與力傳感器網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)讀取采集。上位機(jī)服務(wù)器端程序是基于TCP/IP通信協(xié)議編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)了基于位置調(diào)整的直接示教。

為了更加直觀了解基于位置控制的機(jī)器人直接示教系統(tǒng)的流程，主要流程圖如圖4所示。

當(dāng)完成計(jì)算機(jī)IP地址、傳感器參數(shù)等信息配置后，操作者手拉動(dòng)示教手柄，上位機(jī)客戶(hù)端采集讀取力傳感器信號(hào)，并繪制力信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)上位機(jī)服務(wù)器端發(fā)送初始化坐標(biāo)到初始位置后，進(jìn)行力坐標(biāo)變換并發(fā)送調(diào)整后的機(jī)器人位置坐標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟隨操作者拖動(dòng)示教等功能。

圖4 機(jī)器人直接示教系統(tǒng)流程圖

5 示教實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

基于位置控制策略的機(jī)器人直接示教關(guān)鍵的部分是柔順矩陣的取值是否恰當(dāng)。根據(jù)本文實(shí)際的作業(yè)情況，結(jié)合實(shí)際操作者示教效果調(diào)整矩陣元素以選取適當(dāng)?shù)娜犴樉仃?。下面給出柔順矩陣對(duì)角元素的取值即為：

Kf=diag(-0.55,-0.55,-0.5,0.2,-0.2,-0.25)

其中，非對(duì)角元素可以根據(jù)實(shí)際對(duì)某方向的靈敏度要求進(jìn)行加減。

為了驗(yàn)證直接示教效果，我們進(jìn)行了直接示教實(shí)驗(yàn)。本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為ER6C60工業(yè)機(jī)器人，示教-復(fù)現(xiàn)主要過(guò)程如下圖5、圖6所示。

圖5 機(jī)器人直接示教過(guò)程圖

圖6 機(jī)器人直接示教復(fù)現(xiàn)過(guò)程圖

在直接示教過(guò)程中，在力傳感器的安裝手柄末端施加力和力矩信號(hào)，使得機(jī)器人跟隨外部操作者的牽引力運(yùn)動(dòng)。我們牽引機(jī)器人沿著工件邊緣進(jìn)行直接拖曳示教，同時(shí)示教系統(tǒng)記錄示教過(guò)程的軌跡坐標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)示教完成得到軌跡后，我們進(jìn)行了軌跡的復(fù)現(xiàn)。可以看到機(jī)器人能夠跟隨外部牽引力運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了直接示教的目的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ER6C60直接示教機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)外部力信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)外部牽引力的順應(yīng)性跟蹤，系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求。

6 結(jié)論

本文采用基于力/力矩傳感器順應(yīng)控制方法在ER6C60機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)基于位置控制的機(jī)器人直接拖動(dòng)示教。該系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)器人末端安裝六維力傳感器檢測(cè)外部操作者力信號(hào)獲得其運(yùn)動(dòng)意圖，通過(guò)力坐標(biāo)變換原理得到等效的力信息。采用了基于位置調(diào)節(jié)的主動(dòng)柔順控制方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的順應(yīng)性牽引示教。編寫(xiě)了基于MFC對(duì)話(huà)框程序的直接示教系統(tǒng)程序，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程方法實(shí)現(xiàn)了力信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)與機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在ER6C60機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的直接牽引示教效果較好，對(duì)控制器無(wú)特殊要求，通用性較好。系統(tǒng)由于采用位置控制，示教過(guò)程存在響應(yīng)慢、不夠流暢等缺點(diǎn)，系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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ResearchoftheDirectTeachingofIndustrialRobotsBasedonActiveComplianceControl

SHI Jing-fei1,2，WANG Da-qing1,2，YAN Fa-ling1,2，GAO Li-fu1

(1. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;2. Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In order to realize the function of the direct teaching of the robot, the direct teaching problem of robots was analyzed, and the direct teaching system was developed on the ER6C60. The active compliance control method based on position adjustment was used in the direct teaching system. The operator’s force could be detected by force/ torque sensor and the force signals obtained by the transformation of static force between coordinate systems were converted into the position adjustment of the robot end-effector, so it could realize the compliance tracking. The upper PC adopted network programming technology based on VC++ for realizing the function of the direct teaching of the robot. At last, the effectiveness and generality of the direct teaching system was validated experimentally.

active compliance control; direct teaching; force/ torque sensor; industrial robots

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0066-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.016

2017-02-16；

2017-03-23

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)基金(XDA08040109)；核環(huán)境機(jī)器人(射線(xiàn)防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)研究(C2016011)；安徽省對(duì)外科技合作項(xiàng)目(1503062026)

史景飛(1991—)，男，安徽蒙城人，中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人，(E-mail)sjf_signal@163.com；通訊作者：高理富(1970—)，男，合肥人，中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研究員，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人和機(jī)器人傳感器，(E-mail)lifugao@iim.ac.cn。

(編輯李秀敏)