面向位控机器人的力位混合控制

机器人

ROBOT

1999年 第21卷 第3期 Vol.21 No.3 1999

面向位控机器人的力/位混合控制

乔 兵 吴洪涛 朱剑英 尉忠信

摘　要　本文提出了一种面向位控机器人的力/位混合控制策略．通过力反馈信息对未知约束进行估计获得位控和力控方向，根据位控和力控方向对机器人终端的运动轨迹进行规划，并采用阻抗力控制规律以使机器人获得较好的柔顺性．仿真试验表明，该策略具有较高的力控制精度和表面跟踪能力．

关键词　机器人;力/位混合控制; 阻抗控制; 力控制

中图分类号：　TP24 文献标识：　B

文章编号：1002-0446(1999)03-0217-06

HYBRID FORCE POSITION CONTROL FOR POSITION-

CONTROLLED ROBOTIC MANIPULATORS

QIAO Bing WU Hongtao ZHU Jianying WEI Zhongxin

(Electromechanical Engineering Institute

Nanjing University of Aeronautics & Astranautics，Nanjing 210016)

Abstract: This paper presents a hybrid force position control strategy for position-controlled robotic manipulator. On-line force feedback data are employed to estimate the local shape of constraint. The estimated vectors are used to generate the virtual reference trajectory for the target impedance model, which is driven by the force error to produce a command position to the manipulator. By following the commanded position trajectory the robotic manipulator can follow unknown constraint surface while keeping an acceptable force error in a manner depicted by the target impedance model. Computer simulation is conducted to verify its force tracking capability.

Key words: Robotic manipulators; hybrid force/position control; impedance control; force control

1　引言

机器人在从事装配、抛光及轮廓跟踪等作业时，要求其终端执行装置和环境之间建立并保持接触，为了成功地进行该种作业，必须使机器人具备同时控制其终端位置和接触力的能力，为此，许多学者对其进行了研究并提出几种对机器人终端位置和接触力同时进行控制的算法，这些算法基本上可以归为两类，即混合力／位控制［6］和

阻抗控制［5］．

混合力/位控制方法的基本思想是当机器人终端和环境发生接触时，其终端坐标空间可以分解成对应于位控方向和力控方向的两个正交子空间，通过在相应的子空间分别进行位置控制和接触力控制以达到柔顺运动的目的．这是一种直观而概念清析的方法，但由于控制的成功与否取决于对任务空间的精确分解和基于该分解的控制器结构的正确切换，因此，混合力/位控制方法必须对环境约束作精确建模，对于未知约束环境无能为力．

阻抗控制是通过调节由用户设定的目标阻抗模型，使机器人终端达到柔顺运动．目标阻抗模型实际上是一个理想的机器人终端位置和机器人/环境作用力之间的动态关系，控制器的主要任务就是调节机器人的行为，以维持这个理想的动态关系．阻抗控制被认为是一种统一的自由运动控制和约束运动控制方法，它不需要精确的离线任务规划，对自由运动和约束运动之间的转换具有很强的适应性，但当约束环境不确知或未知时，阻抗控制表现出较差的力跟踪能力，这是阻抗控制的主要缺点．

本文综合阻抗控制和混合力/位控制的优点，提出一种面向位控机器人的力/位混合控制方案，该方案不需要精确的机器人模型和详细的约束环境几何信息，而是利用力反馈数据和高精度的机器人位置伺服能力，对约束环境局部几何形状进行估计，求出位控切向和力控法向，并在线生成运动规划，以达到对未知约束表面的跟踪和接触力的控制．

2　基于位控的力/位混合控制

目前正在使用的大多数工业机器人基本上都是一种刚性的位置伺服机构，具有很高的位置跟踪精度，但它们一般不具备力控制能力，缺乏对外部作用力的柔顺性，这一点极大地限制了机器人的应用领域，因此，研究适用于位控机器人的力控制方法具有很大的实用价值．但工业机器人的内部控制系统一般不对用户开放，研究工作应当建立在不破坏而是充分利用高精度机器人位置伺服系统的基础上，本文正是基于该考虑进行研究．

2.1　未知约束在线估计

在能够对约束环境进行精确建模的前提下，环境每一点的切向和法向可以通过离线精确计算获得，而当机器人与未知环境发生接触时，就要通过力、位置和速度等反馈信息对约束进行在线估计，求出位控切向和力控法向．这方面的研究工作主要有：Blauer［7］等采用扩展卡尔曼滤波方法估计约束表面的未知几何参数；Merlet［8］利用力测量信号来确定约束表面法矢；Yoshikawa［4］等将力反馈信号和位置反馈信号结合对未知约束进行估计等．

机器人与环境发生接触的主要表现形式就是接触力,若能利用力反馈信号弥补机器人对环境理解的不足，在线估计出位控切向和力控法向，以指导机器人柔顺控制，将使机器人表现出一定的触觉特征．图1为机器人在未知环境约束下运动．