机器人实现未知参数下的曲面跟踪和恒力控制的研究

２０１ ８年 第 ６期
机 器 人 实 现 未 知参 数 下 的 曲 面跟 踪 和 恒 力 控制 的研 究 木
赖 火生 吴 磊 陈新度 杨 宗泉
（广 东Ｚ－业 大学机 电工程 学 院 ，广 东 广 州 ５１０００６）
摘 要 ：随着 “工业 ４．０”的 到来 。机 器 人 与环 境 接触 的 任务 需 求越 来 越 多 ，比如 打磨 、抛光 和 装 配。机 器 人 与环境 接 触 的力控 制成 为 了一个 热 门的 需求 。传统 的基 于位 置控 制 的阻抗 控 制算 法 实现 机器 人与 环境 接触 的力 控 制 。一般 都 需要 准确 地知 道环 境 的刚度 ，并且 传统 的 阻抗控 制算 法 并 没有 使 用 力 闭 环检 测环 节 。因此 ，传统 的 阻抗控 制 方法 实现 接触 力的 控制 其精 度并不 高 ，很 难满 足 现代 化 生产 的 要求 。针 对这 个 问题 ，提 出了基 于模糊 ＰＩ的力 闭环 阻抗 控 制 方 法 ，该 方法 在传 统 的 阻抗控 制模 型 上增 加 了力 闭环反 馈环 节 ，能实 时采 集接 触 力 的信 息 ，实现 对 接触 力的 精 确控 制 ，并且 不 需要 知 道 环境 的 刚度 ，易 于 实现 。
控 制 。 文献 『１］提 出采 用 最 小二 乘 法估 计 环 境 刚 度 ，并
使 用 模糊 控 制 器 调 整 阻 抗 控 制 器 的参 数 以 适 应 环 境 刚度 和 阻尼 的变 化 从 而 实 现 力 控 制 。文 献 ［２—４］使 用 间接 自适 应 方法 在 线估 计 环境 参 数 ，基 于 环境 参 数 的估 计来 计 算 所需 的参考 位 置 ，通 过参 考 位 置 轨 迹 的 适 当选 择 间接 地控 制 接触 力 。然而 ，该 方 法 没 有 接 触 力 的 闭环反 馈 ，不 能 保 证 高 的力 控 制 精 度 。文 献 ［５］ 的墨 西 哥 国立 自治 大 学 Ｊａｖｉｅｒ Ｐｌｉｅｇｏ—Ｊｉｍｒｎｅｚ等 人 提
Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ；ｉｍ ｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｘ—ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ
随着制 造 业 的发展 机器 人与 环境 接触 的工 作越 来 越 多 。比如 打磨 、抛 光和 装配 。传 统 的工业 机器 人是 基 于位置 控制 的 ．并 没有 力 控 制 的能 力 。 当我 们 使 用 机 器 人 打磨 工件 时 ，如果 打 磨 力 太 大容 易 导致 工 件 的损 坏 。但 是 打磨力 太小 又不 能 达到 打磨 的效果 。因此 ，传 统 的工业 机器 人难 以完成 具有 接 触 力 要 求 的工 作 ，这 大大 限制 了机 器人 的应 用 范 围。针对 这个 问题 很 多学 者 专 家提 出 了许 多让传 统机 器人 具有 力控 制 功能 的解 决 方 案 ，其 中用 得 最多 的方 法是 阻抗 控制 和力／位 混合
关键 词 ：工业机 器 人 ；阻抗控 制 ；六维 力传 感器 ；模糊 ＰＩ控 制 中图分 类号 ：ＴＰ２４ 文 献标 识码 ：Ａ
ＤｏＩ：１０．１９２８７／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５－２４０２．２０１８．０６．００１
Байду номын сангаас
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｕｎｋｎｏｗｎ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ４．０，ｔａｓｋｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｖｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｄｅ— ｍ ａｎｄｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｂｅ— ｃｏｍ ｅ ａ ｐｏｐｕｌａｒ ｄｅｍ ａｎｄ．Ｒｏｂｏｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｒｅｑｕｉｒｅ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｌａｃｋｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒｃｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｈ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｔｈｉｓ ｐａ— ｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｆｕｚｚｙ ＰＩ—ｂａｓｅｄ ｆｏｒｃｅ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ￣ｅｄｂａｃｋ ｌｉｎｋ，ａｎｄ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ ａｎｄ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｍ ｐｌｅｍ ｅｎｔ．
ＬＡＩ Ｈｕｏｓｈｅｎｇ，Ｗ Ｕ Ｌｅｉ，ＣＨＥＮ Ｘｉｎｄｕ，ＹＡＮＧ Ｚｏｎｇｑｕａｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０００６，ＣＨＮ）