基于力傳感器重力補償?shù)臋C器人主動柔順插孔控制方法

張 健，劉 韋，宋 麗

（煙臺科技學院，蓬萊 265600）

0 引言

工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)都起到了重要作用，如焊接、組裝、裝載、分揀、裝配等。其中，裝配環(huán)節(jié)應(yīng)用最多。插孔是裝配環(huán)節(jié)中最常見的一種作業(yè)。插孔，顧名思義，就是突出的一端插入凹陷的一端，讓二者裝配到一起，實現(xiàn)二者的有效結(jié)合。工業(yè)機器人不像人一樣具有很強的適應(yīng)性和靈活性，其插孔作業(yè)過程難以避免地會出現(xiàn)誤差，不僅會使得插頭不能一次且準確地插到插板上，導致插孔作業(yè)完全失敗，還有可能由于機器人同工作環(huán)境之間產(chǎn)生的接觸力過大損壞裝配件及周邊設(shè)備，浪費資源，還有可能給機器人本身末端造成一定的損傷，提高維修成本[1]。面對這種情況，工業(yè)機器人具有柔順性至關(guān)重要。柔順性是指工業(yè)機器人根據(jù)周圍環(huán)境的變化隨時調(diào)節(jié)自身工作參數(shù)的能力。工業(yè)機器人的柔順控制，目前主要有兩種：其一是被動柔順控制，這種控制方式的原理是通過安裝一些簡單的柔性機構(gòu)，如彈簧，來緩解機器人與工作環(huán)境之間的錯誤接觸的剛度，減緩破壞力[2]。這種控制方式易于實現(xiàn)，成本低，但是安裝的柔性機構(gòu)專一性強，會受到工作環(huán)境的約束，另外由于是在工業(yè)機器人上另加柔性機構(gòu)，對機器人控制造成極大的困難。基于此，第二種控制方法出現(xiàn)，即主動柔順控制，原理是利用力的反饋信息實現(xiàn)工業(yè)機器人的自動化控制。這種控制方法彌補了被動柔順控制存在的缺陷，但是普遍忽略了力傳感器在工作時，對作用力的測量誤差，導致機器人的柔順控制與預期存在一定的差距?；谏鲜霰尘?，提出一種基于重力補償?shù)牟蹇卓刂品椒?。通過該研究以期提高工業(yè)機器人的控制精度，提高插孔作業(yè)成功率。

1 機器人主動柔順插孔控制方法研究

人工智能的發(fā)展促進了各行各業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，工業(yè)是我國重要的第二產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了巨大的貢獻。人工智能為工業(yè)帶來了新的生產(chǎn)手段，即工業(yè)機器人。工業(yè)機器人能夠模擬人類生產(chǎn)行為，實現(xiàn)自動化制造生產(chǎn)。插孔是工業(yè)機器人在裝配環(huán)節(jié)最常見的作業(yè)，作業(yè)內(nèi)容是將插頭一端準確插到插板。這一過程要求機器人對位置和力都需要有一個準確的把控[3]?；诖?，進行有效的控制研究具有重要的現(xiàn)實意義。該控制方法主要分為三個部分，即位置信息采集，傳感器采集作用力信息與重力補償、主動柔順控制器設(shè)計。下面針對這三個部分進行具體分析。

1.1 機器人位置信息采集

機器人位置獲取是實現(xiàn)控制的前提和基礎(chǔ)，因為位置偏差是導致作用力產(chǎn)生的直接原因。為此，本章節(jié)進行機器人位置信息采集研究。在這里需要用到激光掃描儀，基于激光掃描儀的機器人位置信息采集基本流程如下：首先激光掃描儀放置在一個固定不可移動的測量位置上，向著機器人發(fā)送激光束，當激光束到達機器人表面，會反射回掃描儀內(nèi)的傳感器中，由這種發(fā)射到返回的時間差計算激光掃描儀與機器人之間的距離。計算公式如下：

式(1)中，d代表激光掃描儀與機器人之間的距離；v代表激光傳播速度；Δt代表時間差。

以激光掃描儀為中心建立三維坐標系，通過下述公式將距離d轉(zhuǎn)換為三維點云數(shù)據(jù)，獲取在激光掃描儀坐標系中的三維坐標其中，

式(2)中，X、Y、Z代表機器人在激光掃描儀坐標系中的三維坐標；θ、?代表激光掃描儀的縱向掃描角度和橫向掃描角度。

接下來將機器人在激光掃描儀坐標系中的三維坐標(X、Y、Z)通過坐標轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換到機器人自身的基坐標系中，即可完成機器人位置信息采集。轉(zhuǎn)換公式如下：

基于采集到的機器人位置信息，為后續(xù)章節(jié)1.3研究奠定了基礎(chǔ)。

1.2 力傳感器采集作用力信息與重力補償

機器人與工作環(huán)境之間的接觸時產(chǎn)生一定的作用力。這個力對于機器人控制至關(guān)重要。為此，本章節(jié)利用力傳感器采集作用力信息，包括三維正交力和三維正交力矩[4]。力傳感器是一種將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅脑O(shè)備，其類型多樣，在這里選擇六維力傳感器來完成本章節(jié)工作，具體采集過程如下：

六維力傳感器具體采集過程如下：

步驟1：利用砝碼加載的標定方法進行六維力傳感器標定；

步驟2：六維力傳感器的校準，獲得信號與力的對應(yīng)關(guān)系；

步驟3：設(shè)置六維力傳感器工作參數(shù)以及采集頻率參數(shù)；

步驟4：六維力傳感器是否接收到采集指令？若正常接收到指令，六維力傳感器啟動；否則，需要對六維力傳感器進行故障檢測；

步驟5：六維力傳感器按照采集頻率采集作用力電信號；

步驟6：是否到達定時中斷時間？若到，完成采集；否則，回到步驟5，繼續(xù)采集；

步驟7：對采集到的作用力信號進行預處理；

步驟8：發(fā)送數(shù)據(jù)；

步驟9：是否關(guān)閉六維力傳感器？關(guān)閉，完成作用力信息采集工作；否則，回到步驟5。

受到力傳感器的自身設(shè)計及末端連接工具重力的影響，力傳感器采集到的作用力信息并不是真實的，存在一定的誤差。若是直接將力傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于后續(xù)機器人主動柔順插孔控制當中，必然影響控制精度。針對上述問題，需要進行重力補償，以提高力傳感器的測量精度。

重力補償主要分為4部分，即重力計算、安裝傾角計算、重心坐標計算以及重力補償實現(xiàn)。下面針對這三部分進行具體分析。

1）重力計算

重力計算主要是指計算機器人末端夾持工具的重力值。計算公式如下：

式(4)中，P代表機器人末端夾持工具的重力值；βx、βy、βz代表工具在機器人基坐標系三個方向上產(chǎn)生的分力。

2）安裝傾角計算

安裝傾角計算主要是指計算工業(yè)機器人底座的安裝角度(θ,?)。計算公式如下：

3）重心坐標計算

重心坐標計算是指計算力傳感器末端工具在機器人基坐標系中的重心坐標(Gx，Gy，Gz)。重心坐標(Gx，Gy，Gz)通過求解下述方程組獲得。

4）重力補償實現(xiàn)

重力補償實現(xiàn)是指通過計算重力補償值，然后與測得的力傳感器測量值相減，得出補償后的力傳感器測量值。重力補償值計算過程如下：

步驟1：基于求得的重心坐標、安裝傾角、重力值等計算工具重力P在力傳感器坐標系上的力分量(Kx、Ky、Kz)以及力矩分量(Qx、Qy、Qz)。

利用六維力傳感器測量得到三維正交力減去步驟3得到的補償力，三維正交力矩減去步驟4得到的補償力矩，即為補償后的更接近實際情況的作用力信息。

1.3 主動柔順控制器設(shè)計

基于激光掃描儀采集得到的機器人位置信息以及經(jīng)過重力補償后力傳感器采集到的作用力信息，本章節(jié)設(shè)計一種主動柔順控制器。

目前機器人主動柔順控制方式有多種，即阻抗控制、力/位混合控制、自適應(yīng)控制以及智能控制等[5]。在本章節(jié)研究中選擇阻抗控制方式來設(shè)計主動柔順控制器，如圖1所示。

圖1 主動柔順控制器組成框圖

該控制器控制過程如下：

步驟1：采集機器人的實際位置信息，見1.2節(jié)

步驟2：計算機器人的實際位置與預期位置差值；

步驟3：通過阻抗控制器將位置差值轉(zhuǎn)化為機器人末端與環(huán)境間的期望接觸力；

步驟4：利用六維力傳感器測量得到機器人與工作環(huán)境之間的接觸時產(chǎn)生的作用力，見1.2節(jié)；

步驟5：采用PID控制關(guān)節(jié)力矩使步驟4采集到的作用力跟隨步驟3計算出來的期望接觸力，以調(diào)節(jié)機器人力的輸出精準度。

基于上述三個環(huán)節(jié)的研究，即完成基于力傳感器重力補償?shù)臋C器人主動柔順插孔控制方法設(shè)計。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境搭建

以一個六自由度的機械臂、插孔工件、一個計算機、一個操作臺等搭建測試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 測試環(huán)境示意圖

2.2 激光掃描儀采集信息

所選擇的激光掃描儀為TrackScan-P跟蹤式激光掃描儀。該掃描儀具有超大廣角視野，使其能夠快速準確地完成掃描，具有720mm掃描景深，更好的操作自由度。采集到的機器人位置信息如圖3所示。

圖3 機器人三維坐標位置信息

2.3 重力補償結(jié)果

所選擇的力傳感器為JUL-3715六維力傳感器。該傳感器動態(tài)響應(yīng)頻率高，綜合精度高，長期穩(wěn)定性好。該傳感器工作參數(shù)如表1所示。

表1 JUL-3715六維力傳感器工作參數(shù)

利用JUL-3715六維力傳感器采集作用力信息，并進行重力補償。補償前后連續(xù)的結(jié)果如下表2所示，結(jié)果以前3個時刻為例。

表2 重力補償前后用力信息

2.4 主動柔順控制輸出結(jié)果

利用1.3節(jié)設(shè)計的主動柔順控制器控制圖2中機器人進行插孔作業(yè)，然后統(tǒng)計插孔作業(yè)過程中力隨時間的變化情況，然后計算與預期值之間的差值，最后得出力偏差情況，并與重力補償前的控制結(jié)果進行對比，如圖4所示。

圖4 力偏差情況示意圖

從圖4中可以看出，在經(jīng)過力傳感器重力補償后，機器人的輸出力偏差和位置偏差都要小于力傳感器重力補償前，說明所研究的方法的機器人主動柔順插孔控制精度更高，達到了研究目標。

3 結(jié)語

綜上所述，近年來工業(yè)機器人改善了工業(yè)生產(chǎn)中存在的困境。然而，工業(yè)機器人在一些精細化領(lǐng)域性能還稍顯步驟。插孔裝配是工業(yè)機器人常見的應(yīng)用環(huán)節(jié)，但是其插孔裝配的質(zhì)量并不高，其主要原因在于對位置的精確定位以及對輸出力的把控。針對上述問題，研究一種新的主動柔順插孔控制方法。該方法主要是通過重力補償以降低力傳感器采集數(shù)據(jù)過程中存在的誤差，從而提高后續(xù)插孔控制下輸出控制數(shù)值的精確度。經(jīng)過測試與分析，證明了所研究方法的控制準確性，偏差較重力補償前有了很大的改善。然而，本研究仍然存在值得深入研究和未解決的問題，即本研究僅適用機器人插孔作業(yè)，其他類型的裝配作業(yè)并不適用。