基于事件的機(jī)器人主-被動(dòng)混合力-位控制方法

，，

(蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇蘇州215006)

力控制是機(jī)器人控制技術(shù)的新興研究內(nèi)容，一般是指將機(jī)器人與環(huán)境的相互作用力通過傳感器實(shí)時(shí)反饋到控制器中，使控制器能夠根據(jù)真實(shí)的力覺信息來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制[1-3]。相比于工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、焊接、噴涂等基于自由空間運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)域，在裝配、打磨拋光等應(yīng)用中，由于需要精確力控制技術(shù)，機(jī)器人使用數(shù)量仍十分有限[4-5]。為了能將機(jī)器人應(yīng)用延伸到更廣領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代以來，機(jī)器人力控制方法逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，此類控制方法通常采用經(jīng)典的力控制方式，如添加被動(dòng)柔順裝置或簡單的柔順控制算法[6-7]。機(jī)器人能夠?qū)佑|環(huán)境順從的這種能力稱之為柔順性。在復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行過程中，機(jī)器人的柔順性起著越來越重要的作用，柔順能力己經(jīng)成為機(jī)器人智能化的特征。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順控制,近年來專家學(xué)者們提出了許多有效的控制算法，機(jī)器人的柔順控制包括主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順兩種實(shí)現(xiàn)方式，機(jī)器人憑借一些輔助的柔順機(jī)構(gòu)，使其在與環(huán)境接觸時(shí)能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從的稱之為被動(dòng)柔順；機(jī)器人利用力反饋信息采用一定的控制策略去主動(dòng)控制作用力的稱之為主動(dòng)柔順。

理想的力-位控制要求機(jī)器人控制器能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置控制，并能跟隨機(jī)器人與環(huán)境的接觸力，即力覺感知是透明的。研究表明：具有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確力感知的控制系統(tǒng)，使得控制器能夠?qū)崟r(shí)獲得作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的接觸信息，將會(huì)極大地提高控制器的感知能力，能夠更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，可以使作業(yè)時(shí)間大為減少[7]。因此，力覺感知和力控制的研究對(duì)于提高機(jī)器人操作性能具有重要的意義。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家相繼投入了大量人力、物力從事機(jī)器人主動(dòng)柔順控制技術(shù)的研究，并在力控制的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都取得了不少研究成果，相繼提出了力-位混合控制、阻抗控制和預(yù)測(cè)控制等控制方法，這些方法在一定程度上提升了機(jī)器人系統(tǒng)的控制效果[8-10]；但是，力-位控制機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用仍然具有很大局限性，尤其是在力反饋的真實(shí)性和系統(tǒng)可操作性方面仍有很多工作可做。

傳統(tǒng)機(jī)器人控制器往往只提供位置和速度、加速度等控制功能，但應(yīng)用的發(fā)展產(chǎn)生了機(jī)器人力-位控制和視覺伺服控制等混合控制技術(shù)的需求[11-16]。機(jī)器人混合控制的常用算法有：傳統(tǒng)的PID控制以及自適應(yīng)理論、卡爾曼濾波、模糊理論控制等。Dung等[14]通過Matlab/Simulink 建立機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型(具有2個(gè)自由度和并聯(lián)的機(jī)器人)，對(duì)比了在線重力補(bǔ)償與恒定重力補(bǔ)償，發(fā)現(xiàn)其擁有更好的軌跡跟蹤性能，但是控制器的負(fù)擔(dān)卻增加了許多；Su等[15]提出一種獨(dú)立PD控制方法,此控制專門針對(duì)機(jī)器人制動(dòng)器約束，而且可以通過動(dòng)態(tài)的重力補(bǔ)償來調(diào)節(jié)反饋控制，但是對(duì)軌跡跟蹤和定點(diǎn)控制的全局穩(wěn)定稍顯力不從心?？柭鼮V波(Kalman filtering)是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法[16]。余樂等[17]通過將傳統(tǒng)的卡爾曼濾波算法應(yīng)用到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)跟隨中,很好地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟隨的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性；王煒[18]將視覺系統(tǒng)和卡爾曼濾波算法結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的定位抓取，但并沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)跟隨；龔小彪[19]提出了一種將卡爾曼濾波算法與TLD框架結(jié)合的目標(biāo)跟隨算法,實(shí)現(xiàn)了較好的跟隨效果,但是實(shí)時(shí)性效果不好；劉松青[20]提出一種適合于視覺伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法,實(shí)現(xiàn)了較好的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)跟隨。

在力-位混合控制研究中，力反饋一般是通過使用各種不同規(guī)格的力和扭矩傳感器來測(cè)量實(shí)現(xiàn)的[8-10]。本文提出一種采用關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩解算接觸力的方法來代替力傳感器對(duì)機(jī)器人執(zhí)行器末端接觸力進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)一種易安裝、維護(hù)的力-位混合控制方法，其中擬使用無源系統(tǒng)分析方法、能量均衡算法保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)用于機(jī)器人螺絲鎖付系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作描述

本文針對(duì)的作業(yè)對(duì)象是一種精密塑膠件——行車記錄儀，其中1.7 mm和2.0 mm兩種規(guī)格自攻牙螺絲，扭矩為0.12 N·m，螺絲的鎖付面都在一個(gè)平面。以行車記錄儀中按鍵板(圖1中左邊4個(gè)點(diǎn)位)和鏡頭螺絲(右邊鏡頭2個(gè)點(diǎn)位)鎖付為例，它的鎖付具有螺絲直徑小(僅1.7 mm)、自攻牙(鎖付過程力量存在不確定性)、工件需準(zhǔn)確定位于治具中等特點(diǎn)。

1.2 螺絲鎖付系統(tǒng)

螺絲用來連接緊固兩個(gè)或多個(gè)物體，是常用的連接件之一，主要分為人工與自動(dòng)擰螺絲兩種。對(duì)于一些小批量的生產(chǎn)，可以利用螺絲刀進(jìn)行人工旋擰，而對(duì)于大批量的生產(chǎn)，人工旋擰則工作效率低下，所以考慮進(jìn)行自動(dòng)化旋擰。自動(dòng)化旋擰螺絲分為手持式自動(dòng)鎖螺絲機(jī)和全自動(dòng)化鎖螺絲機(jī)。

工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，使自動(dòng)擰螺絲向工業(yè)機(jī)器人方向發(fā)展。螺絲機(jī)具有操縱方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便、人機(jī)界面人性化等特點(diǎn)，其主要采用單軸與多軸機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行及單獨(dú)動(dòng)作的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了控制響應(yīng)的快速性，并對(duì)擰緊扭矩及角度進(jìn)行測(cè)控，保證了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。螺絲機(jī)的結(jié)構(gòu)組成有：工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)螺絲刀、螺絲自動(dòng)上料系統(tǒng)和精裝夾具附件等。螺絲機(jī)主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。

隨著SCARA機(jī)器人的出現(xiàn)及技術(shù)發(fā)展，使用SCARA具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、靈活方便、占地空間小的特點(diǎn)，利用SCARA機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直角坐標(biāo)機(jī)械手成為可能。本文以SCARA高速輕載機(jī)器人為基本平臺(tái)，組合設(shè)計(jì)螺絲鎖付機(jī)器人系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)工作需要組合成針對(duì)不同螺絲規(guī)格的螺絲鎖付機(jī)器人。采用SCARA構(gòu)型的柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)方案能夠靈活分解工作任務(wù)，占地面積小，并能根據(jù)工作任務(wù)擴(kuò)展，設(shè)計(jì)方案見圖2。圖2中，SCARA機(jī)器人①帶動(dòng)螺絲批②實(shí)現(xiàn)鎖付作業(yè)，根據(jù)需要可以配置相機(jī)附件實(shí)現(xiàn)視覺應(yīng)用，或配置PLC來實(shí)現(xiàn)外加IO及其他控制應(yīng)用。

①機(jī)械手, ②電批頭, ③送料機(jī), ④流水線, ⑤照相機(jī), ⑥觸控屏, ⑦PLC控制器, ⑧工件。 圖2 柔性自動(dòng)封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design diagram offlexible automatic packaging system

圖3 螺絲鎖付機(jī)器人系統(tǒng)Fig.3 Robot system of screw locking

此種結(jié)構(gòu)是一種采用智能化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(SCARA機(jī)器人+圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))的技術(shù)架構(gòu)。此種機(jī)器人既有水平關(guān)節(jié)型機(jī)械的性能(高速、高精度、安裝方便、占地面積小)，又有XY型工作臺(tái)的低價(jià)格，是一個(gè)性價(jià)比較高的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。1.7 mm或2.0 mm直徑微型螺絲尺寸小、重量輕、形狀特殊者居多，為了高效率、無故障地實(shí)現(xiàn)螺絲供給，使用一種“滾筒+真空”的方式，以真空吸附頭吸附精密螺絲來解決這個(gè)問題。

實(shí)際搭建的螺絲鎖付機(jī)器人系統(tǒng)見圖3。該系統(tǒng)采用一臺(tái)SCARA機(jī)器人為主體運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電批用于吸取螺絲執(zhí)行鎖付動(dòng)作；柔性裝置主要用于緩沖鎖付過程中的沖擊力；螺絲供料器用于執(zhí)行螺絲送料動(dòng)作；工件輸送軌輸送工件到鎖付位置，鎖付完后再執(zhí)行退出動(dòng)作。

1.3 柔順裝置設(shè)計(jì)

為了保證鎖付的安全性，電批與SCARA機(jī)器人的連接采用柔順浮動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)見圖4。這種柔性裝置中主要部件——緩沖機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)SL(行程)及SF(彈力)通過位移和鎖付力的需求約束公式來確定。

圖4 柔性裝置設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design structure of flexible device

圖5 力矩常數(shù)的測(cè)試裝置Fig.5 Test device of torque constant

從圖4中可以看出，柔順裝置主要分成3個(gè)部分，包括緩沖機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及與Z軸的固定連接機(jī)構(gòu)，其中需要詳細(xì)設(shè)計(jì)的主要是緩沖機(jī)構(gòu)。LSL指的是緩沖機(jī)構(gòu)在柔性裝置內(nèi)能夠工作的行程，F(xiàn)SF指的是柔順裝置提供的沿電批軸徑方向下壓工作力。

LSL≥L+1,FSF=k×LSL+FSF0,FSF0=F-G。

(1)

其中：L(單位mm)為自攻牙螺紋行程；k緩沖機(jī)構(gòu)為彈性系數(shù)；FSF0(單位N)為自由狀態(tài)時(shí)柔順裝置對(duì)電批的下壓力；G(單位N)為柔順裝置以及電批的重力。

1.4 力檢測(cè)方法

傳統(tǒng)測(cè)量力或扭矩一般通過力傳感器來實(shí)現(xiàn)，但是由于安裝不便以及重量、體積增加導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用、控制難度增大等原因，在一些場(chǎng)合中并不適合安裝力傳感器。本文通過電機(jī)電流檢測(cè)及力矩解算的方法來實(shí)現(xiàn)鎖付機(jī)器人鎖付末端與環(huán)境接觸力的解算，從而實(shí)現(xiàn)一種簡便、易于應(yīng)用的無傳感器的力檢測(cè)方法。

在機(jī)器人鎖付過程中，對(duì)鎖付性能影響較大的有2個(gè)力值：其一是機(jī)器人Z軸的下壓力值，其二是電批的鎖付力值。由于電批的工作扭矩已通過鎖止扭矩加以限制，因此機(jī)器人Z軸的下壓力值就成為鎖付過程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)的重點(diǎn)。關(guān)節(jié)工作力矩定義為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩和慣性力矩的差值,由于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩可以由關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流與電機(jī)名義力矩系數(shù)的乘積得來,而慣性力矩則可表示成關(guān)節(jié)的名義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與其加速度的乘積，機(jī)器人Z軸鎖付時(shí)工作力矩公式見式(2)。

(2)

在本文中，由于機(jī)器人在入螺絲孔前已經(jīng)加速到勻速。鎖付時(shí)可以將Z軸下降速度設(shè)定為勻速，此時(shí)加速度為零，因此在處理時(shí)可以將加速度對(duì)力的影響忽略掉，從而簡化式(2)的求解。

這時(shí)，由于電流和工作力矩成正比關(guān)系，力檢測(cè)的關(guān)鍵在于求解電機(jī)名義力矩系數(shù)。力矩系數(shù)可以通過Z軸系統(tǒng)電流 -力標(biāo)定的方法來實(shí)現(xiàn)，選用不同規(guī)格的砝碼(從0.5 kg至4 kg，以0.5 kg為間隔)安裝于Z軸電批鎖付的位置，以勻速下降作為工作的工況，測(cè)量出對(duì)應(yīng)的Z軸電機(jī)電流值(如圖5所示)。通過此方法，可求得一定條件下的力矩系數(shù)，從而可以根據(jù)電機(jī)電流求得未鎖付時(shí)空載力值fw1和進(jìn)入鎖付時(shí)的工作力值fw2，兩者的差值即為鎖付力作用于系統(tǒng)產(chǎn)生的附加力值。

2 控制方法

在精密塑膠件鎖付的過程中，當(dāng)位置或鎖付扭矩不符合要求時(shí)，可能導(dǎo)致鎖付工件出現(xiàn)滑牙或浮鎖等缺陷；因此，電批的兩個(gè)值需要精確控制，第一個(gè)值為位置，第二個(gè)值為鎖付扭矩。由于這兩個(gè)值需要同時(shí)控制，因此稱之為力-位混合控制。首先要建立系統(tǒng)力-位混合控制的數(shù)學(xué)模型，以P(位置，單位mm)、F(力，單位N)、N(扭矩，單位N·cm)作為控制目標(biāo)，如式(3)所示：

P=Ve×t×Sd， ‖F(xiàn)‖≤Fmax,‖N‖≤Nmax。

(3)

其中：Ve(單位r/min)為鎖緊工具的旋轉(zhuǎn)速度；t(單位min)為時(shí)間；Sd為螺距(單位mm/r)；Fmax(單位N)、Nmax(單位N·cm)分別為需要工作過程控制的下壓力和扭矩閾值。

為實(shí)現(xiàn)式(3)所示的力-位混合控制模型，以期望力Fd和實(shí)際解算力Fc之間差值作為輸入?yún)?shù)，當(dāng)差值為正時(shí)滿足系統(tǒng)的無源性；當(dāng)差值小于某一個(gè)常量值Fs時(shí)，能量均衡器啟動(dòng)工作以調(diào)整控制量P。系統(tǒng)以Fmax和Nmax作為兩個(gè)工作閾值，當(dāng)扭矩N達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)工作完成。為了使用基于事件的控制方法應(yīng)用于本文方案中，需使得控制量與時(shí)間無關(guān)，因此式(3)轉(zhuǎn)換為式(4)。函數(shù)f是一個(gè)能量均衡器解算的算法，通過能量均衡器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量均衡，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

V=P/t=Ve×Sd×f(Fd-Fc-Fs)，f=1, butf=-1,ifFd

(4)

通過公式(4)，建立了一種具備能量均衡器的精密塑膠鎖付的力-位混合控制模型，通過調(diào)節(jié)Fs實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。并且基于此模型，可實(shí)現(xiàn)一種與時(shí)間無關(guān)的基于事件的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鎖付的精確過程控制?；谑录椒ǖ臋C(jī)器人系統(tǒng)控制流程如圖6所示。由圖6可見，此方法整個(gè)控制流程由事件驅(qū)動(dòng)，與時(shí)間無關(guān)，從而可以保證控制過程不受時(shí)間因素影響，獲得系統(tǒng)穩(wěn)定性及操作的透明性。

圖6 基于事件的主動(dòng)力控制流程Fig.6 Event based active force control

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于事件的主-被動(dòng)結(jié)合機(jī)器人力-位控制方法的正確性，以行車記錄儀1.7 mm螺絲孔鎖付為例，基于本文中提出的方法進(jìn)行了小批量的螺絲鎖付實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

如果精密塑膠件螺絲鎖付中僅使用通常的位置控制方法，由于塑膠件自攻牙螺絲鎖付過程中的力量不均衡，會(huì)導(dǎo)致鎖付后的螺紋牙孔應(yīng)力聚集，這種應(yīng)力會(huì)在塑膠件工作過程中逐步釋放，如果應(yīng)力聚集過大，最終會(huì)導(dǎo)致塑膠件產(chǎn)生裂紋。

在實(shí)驗(yàn)中，使用1.7 mm螺絲鎖付5 000個(gè)自攻牙螺紋孔，靜置3 d后裂紋率接近77%。即使設(shè)計(jì)中考慮被動(dòng)柔性機(jī)構(gòu)來緩沖鎖付過程中的沖擊力，仍不能使得應(yīng)力問題顯著改善。按同樣方法，加上柔性機(jī)構(gòu)后，機(jī)器人鎖付的平均裂紋率在28%。通過使用本文中提出的主-被動(dòng)力-位混合控制方法，可以將裂紋率降低到0，并可以顯著改善螺絲鎖付當(dāng)中常見的滑牙、浮鎖等問題。螺絲鎖付的測(cè)試結(jié)果見表1。從表1中可以看出，11個(gè)不同批次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)共8 590件鎖付案例中，出現(xiàn)缺陷數(shù)僅有153例(滑牙和浮鎖等)，良率為98.22%；克服了傳統(tǒng)方法擰螺絲出現(xiàn)的塑膠件應(yīng)力變形和裂紋等問題，取得了應(yīng)有的良好效果，同時(shí)驗(yàn)證了本方案的實(shí)效性。

表1 缺陷統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

精密塑膠件的鎖付過程中如果僅使用傳統(tǒng)位置控制方法，鎖付過程中沖擊力會(huì)較大，從而導(dǎo)致工件螺絲孔應(yīng)力聚集，塑膠孔周邊產(chǎn)生裂紋等問題。本文提出了一種針對(duì)精密塑膠件的微小螺絲鎖付的機(jī)器人鎖付系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種無傳感器的力檢測(cè)方法，結(jié)合被動(dòng)柔順裝置的設(shè)計(jì)，從而大大減小了鎖付過程中的沖擊力。通過合理應(yīng)用被動(dòng)柔順裝置和主動(dòng)力-位混合控制方法，實(shí)現(xiàn)了一種主-被動(dòng)混合的力-位控制方法，經(jīng)過批量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明該方法可以達(dá)到良好的鎖付效果。雖然本文提供了一種有效的方法，但是滑牙和浮鎖仍有少量存在，究其原因：無傳感器方法對(duì)鎖付力檢測(cè)的精度不夠高，需研究改善檢測(cè)方法提高力檢測(cè)的測(cè)量精度；控制器在實(shí)時(shí)性上有欠缺，反應(yīng)不夠?qū)崟r(shí)，會(huì)影響鎖付效果。