机器人力控末端执行器及其控制方法
技术领域
本发明属于自动化设备及机器人
技术领域
，具体来说涉及一种机器人力控末端执行器及其控制方法。背景技术
随着自由形状工件表面质量要求的提高，例如大型风扇叶片、飞机涡轮叶片和螺旋桨，抛光过程复杂化伴随着越来越高的精度水平要求。目前，大多数抛光仍是需要熟练的技术人员手动进行的，存在危险性高、劳动强度大、加工成本高、作业效率低和精度低的问题。为了解决人工抛光的局限性和不足，已经提出并开发了机器人抛光系统以及其他类型的自动抛光设备。其中工业机器人具有价格低廉、工作空间大、灵活性强等优点，但其缺乏面向工件抛光加工过程的力控技术，因此力控技术是实现机器人自由形状工件表面加工的关键技术，亟待解决。
主动柔顺运动控制方法是高抛光质量的主要研究趋势。通过硬件平台实现主动柔顺运动控制有两种方法：直臂式系统和绕臂式系统。直臂式系统通过机器人每个关节的运动实现接触应力控制，由于机器人自身所具有的尺寸大和重量大的特点，在控制过程中动态响应通常较为缓慢，同时机器人自身具备的较大惯性将对工具以及工件产生很大的冲击力，容易损坏工具或工件。然而，抛光过程需要动态地高频调整接触应力，以适应工件表面曲率的突然变化。绕臂式系统采用外部主动式末端执行器运动实现接触力控制，更适用于高速重载的工业机器人。
在力控末端执行器研究领域，机器人磨抛力控末端执行器多通过采用气动马达作为动力源来降低执行器总质量，通过滚珠花键及传动轴等机械结构实现打磨头旋转。但气动式驱动方式存在响应速度慢、迟滞等缺点，机械结构传动存在机构复杂、运动中机械振动大、控制性能差等缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机器人力控末端执行器，该机器人力控末端执行器采用了音圈电机驱动和电主轴打磨的方式，提高力控精度和响应速度的同时降低了机器人力控末端执行器整体质量，同时通过控制器的设置，实现机器人末端位置补偿控制和磨抛力的闭环控制，具有质量轻、精度高、响应快的优点。
本发明的另一目的是提供上述机器人力控末端执行器的控制方法。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种机器人力控末端执行器，包括：连接法兰、音圈电机模块、力传感器、控制器和打磨模块，所述音圈电机模块包括：音圈电机、支架、直线导轨和位移传感器，直线导轨和所述音圈电机的定子均固装在所述支架上，所述音圈电机的动子与直线导轨上的滑块固装，所述连接法兰与支架固装，用于将音圈电机模块与机器人固装；所述力传感器的一端与所述音圈电机的动子固装，另一端安装有所述打磨模块，用于检测该打磨模块的接触力和力矩，所述位移传感器安装在所述直线导轨上，用于检测所述动子的位置，所述打磨模块包括：电主轴以及固装在该电主轴一端的打磨头；
所述控制器读取所述力传感器和位移传感器的信号并控制所述音圈电机和电主轴。
在上述技术方案中，所述力传感器通过一安装法兰与所述音圈电机的动子固装。
在上述技术方案中，所述电主轴与所述直线导轨上滑块的滑动方向平行或垂直。
在上述技术方案中，当所述电主轴与所述直线导轨上滑块的滑动方向平行时，所述打磨模块还包括：套筒，所述套筒安装在所述力传感器上，所述电主轴的一端位于所述套筒内且另一端从所述套筒伸出并与所述打磨头固装。
在上述技术方案中，所述电主轴通过固定法兰与所述套筒固装。
在上述技术方案中，当所述电主轴与所述直线导轨上滑块的滑动方向垂直时，所述打磨模块还包括：用于将所述电主轴固装在所述力传感器上的固定卡箍，所述电主轴通过所述固定卡箍与所述力传感器连接。
上述机器人力控末端执行器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，将机器人力控末端执行器中音圈电机的动子的行程的中间位置定义为运动参考位置Pd，采用PD控制方法使音圈电机的动子保持在运动参考位置Pd；
基于宏运动控制算法使机器人移动机器人力控末端执行器，使机器人力控末端执行器不与待加工物体接触，所述控制器读取所述力传感器的力值，机器人的控制柜采集机器人的姿态，将力传感器的力值以此时的姿态进行投影，得到该姿态下力传感器的力值为打磨模块的质量M；对所述力传感器的力值进行补偿处理：控制器将力传感器的获得力值减去质量M作为补偿后力值；
在所述步骤1中，宏运动控制算法为基于重力补偿的PD控制方法。
步骤2，使机器人移动机器人力控末端执行器并向待加工物体靠近，基于补偿后力值，控制器判断所述打磨头是否与待加工物体接触，当所述打磨头与待加工物体接触时，进行步骤3；当所述打磨头与待加工物体不接触时，使机器人移动机器人力控末端执行器继续向待加工物体靠近直至所述打磨头与待加工物体接触；
在所述步骤2中，当补偿后力值处于力归零状态误差范围时，所述打磨头与待加工物体不接触；当补偿后力值处于力归零状态误差范围外时，所述打磨头与待加工物体接触。
步骤3，将期望力传感器获得的力值设定为fr，使机器人移动机器人力控末端执行器且力传感器此时获得的力值为f，f大于fr，设定η1为待加工物体和打磨头之间的摩擦系数且η1＜η2，η2为0.6～1.2,首先，调整f以使η1fr＜f-fr＜η2fr，此时使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至原速度的0.5；
在使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至原速度的0.5的前提下，当η2fr＜f-fr＜2fr时，此时，使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至接近零，控制器将PD控制方法切换为自适应阻抗控制方法，使保持在运动参考位置Pd的动子开始移动直至f＝fr；
在所述步骤3中，所述自适应阻抗控制方法通过引入间接自适应控制方法，设计自适应控制器，实现音圈电机的动子的位移跟踪情况下对fr的跟踪。
步骤4，使机器人调整机器人力控末端执行器在待加工物体表面的姿态和位置，所述控制器读取所述力传感器的力矩值M1，打磨头与待加工物体表面接触期望力矩值为Mr，计算M1和Mr的偏差，将偏差转换为机器人调整机器人力控末端执行器的偏转角度；
所述控制器读取位移传感器读数，检测音圈电机的动子的位置，将此时位置与运动参考位置Pd的误差反馈至机器人的控制柜，基于宏运动控制算法使机器人沿音圈电机运动方向移动，采用自适应阻抗控制方法使音圈电机的动子移动至运动参考位置Pd，机器人使移动机器人力控末端执行器沿着待加工物体表面开始移动且此时启动电主轴；
步骤5，当力传感器获得的力值f小于fr，重复步骤2～4。
本发明的有益效果如下：
1、针对待加工物体抛光加工过程引入力控技术，控制器采用基于重力补偿的PD控制方法和自适应阻抗控制方法处理位移传感器位置信号和力传感器的力、力矩信号，实现机器人对力控末端执行器磨抛力大小和姿态的实时调节，满足机器人沿工件表面力控加工过程。
2、针对抛光过程硬件平台响应速度慢及负载大的特点，机器人力控末端执行器采用音圈电机驱动及电主轴实现打磨运动的方案，方案结构简单紧凑，提高力控精度和响应速度，同时降低机器人力控末端执行器的运动冲击，降低运动引起的噪声和振动。
3、针对抛光对象尺寸变化，采用两种打磨模块来实现电主轴水平或垂直安装，进行机器人力控末端执行器整体尺寸调整，用以改变磨抛机器人工作范围以及磨抛头加工方向，满足更多场合使用。
附图说明
图1为本发明机器人力控末端执行器的结构示意图(电主轴与直线导轨上滑块的滑动方向平行)；
图2为本发明机器人力控末端执行器的结构示意图(电主轴与直线导轨上滑块的滑动方向垂直)；
图3为安装有本发明机器人力控末端执行器的机器人的结构示意图(电主轴与直线导轨上滑块的滑动方向平行)；
图4为安装有本发明机器人力控末端执行器的机器人的结构示意图(电主轴与直线导轨上滑块的滑动方向垂直)。
其中，1：连接法兰，2：音圈电机模块，3：支架，4：位移传感器，5：定子，6：动子：7：直线导轨，8：安装法兰，9：力传感器，10：打磨模块，11：套筒，12：固定法兰，13：打磨头，14：固定卡箍，15：电主轴。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种机器人力控末端执行器，包括：连接法兰1、音圈电机模块2、力传感器9、控制器和打磨模块10，音圈电机模块2包括：音圈电机、支架3、直线导轨7和位移传感器4，直线导轨7和音圈电机的定子均固装在支架3上，音圈电机的动子与直线导轨上的滑块固装，直线导轨作为连接音圈电机动子和定子的导向装置，连接法兰1与支架3固装，用于将音圈电机模块2与机器人固装，以实现将机器人的位姿控制和机器人力控末端执行器的磨抛力控制连接起来；力传感器9的一端与音圈电机的动子固装，另一端安装有打磨模块10，用于检测该打磨模块10的接触力和力矩，位移传感器4安装在直线导轨7上，用于检测动子的位置，打磨模块10包括：电主轴以及固装在该电主轴一端的打磨头13；
控制器读取力传感器9和位移传感器4的信号并控制音圈电机和电主轴。
实施例2
在实施例1的基础上，力传感器9通过一安装法兰8与音圈电机的动子固装。电主轴与直线导轨7上滑块的滑动方向平行(轴向打磨)或垂直(径向打磨)。
实施例3
在实施例2的基础上，当电主轴与直线导轨7上滑块的滑动方向平行时，打磨模块10还包括：套筒11，套筒11安装在力传感器9上，电主轴的一端位于套筒11内且另一端从套筒11伸出并与打磨头13固装。电主轴通过固定法兰12与套筒固装。
实施例4
在实施例2的基础上，当电主轴与直线导轨7上滑块的滑动方向垂直时，打磨模块10还包括：用于将电主轴15固装在力传感器9上的固定卡箍14，电主轴15通过固定卡箍14与力传感器9连接。
本发明的机器人力控末端执行器为磨抛装置，可以实现径向打磨和轴向打磨两套方案。机器人为六自由度串联工业机器人，用于提供机器人力控末端执行器的位置和姿态，使其按照规划的刀路轨迹运动。
作为进一步解释，固定卡箍14的外形包括：一圆盘以及固装在该圆盘一侧由两半圆拼接成的圆环形，圆环形内用于放置电主轴，圆环形的尺寸可根据电主轴15的轴径进行调整，在圆环顶部留有夹紧螺栓孔，螺栓孔内安装螺栓，满足加工过程固定电主轴的需求，实现加工过程稳定，电主轴与打磨头连接方式不发生改变，电主轴为高速电机与传动轴一体装置。
位移传感器4为光栅位移传感器。控制器将驱动音圈电机模块带动打磨模块线性运动，位置控制环由位移传感器4控制行程和位置精度，力控制环通过力传感器9获取打磨模块实际接触力信息，并将其转换为音圈电机模块的驱动信号和工业机器人的姿态调整信号，用于机器人力控末端执行器磨抛力大小和姿态的实时调节，实现磨头与待加工物体之间接触应力的闭环控制。
打磨模块10实现打磨过程，音圈电机模块2驱动打磨模块线性运动，由此实现打磨模块沿机器人力控末端执行器轴向线性运动，从而实现打磨模块磨抛力的调整。
上述机器人力控末端执行器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，将机器人力控末端执行器中音圈电机的动子的行程的中间位置定义为运动参考位置Pd，采用PD控制方法(参考文献：Ma,Zheng,et al.Control and Modeling ofan End-Effector in a Macro-Mini Manipulator System for IndustrialApplications[C].2017 IEEE International Conference on Advanced IntelligentMechatronics(AIM),2017,pp.676–681.)使音圈电机的动子保持在运动参考位置Pd；
基于宏运动控制算法(参考文献：Zamora-Gómez,Griselda I.,et al.An Output-Feedback Global Continuous Control Scheme with Desired Gravity Compensationfor the Finite-Time and Exponential Regulation of Bounded-Input RoboticSystems[J].IFAC-PapersOnLine,vol.51,no.22,2018,pp.108–114.)使机器人移动机器人力控末端执行器，使机器人力控末端执行器不与待加工物体接触，宏运动控制算法为基于重力补偿的PD控制方法。控制器读取力传感器9的力值，机器人的控制柜采集机器人的姿态，将力传感器9的力值以此时的姿态进行投影，得到该姿态下力传感器9的力值为打磨模块10的质量M；对力传感器9的力值进行补偿处理：控制器将力传感器9的获得力值减去质量M作为补偿后力值；
步骤2，使机器人移动机器人力控末端执行器并向待加工物体靠近，基于补偿后力值，控制器判断打磨头13是否与待加工物体接触，当打磨头13与待加工物体接触时(接触场景)，进行步骤3；当打磨头13与待加工物体不接触时(非接触场景)，使机器人移动机器人力控末端执行器继续向待加工物体靠近直至打磨头13与待加工物体接触；其中，当补偿后力值处于力归零状态误差范围时，打磨头13与待加工物体不接触；当补偿后力值处于力归零状态误差范围外时，打磨头13与待加工物体接触。
步骤3，将期望力传感器9获得的力值设定为fr，使机器人移动机器人力控末端执行器且力传感器9此时获得的力值为f(打磨模块10的接触力)，f大于fr，设定η1为待加工物体和打磨头13之间的摩擦系数且η1＜η2，η2为0.6～1.2，首先，调整f以使η1fr＜f-fr＜η2fr，此时使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至原速度的0.5；
在使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至原速度的0.5的前提下，当η2fr＜f-fr＜2fr时，使机器人移动机器人力控末端执行器的速度降低至接近零，控制器将PD控制方法切换为自适应阻抗控制方法(参考文献：Seraji,Homayoun,and RichardColbaugh.Force tracking in impedance control[J].The International Journal ofRobotics Research,vol.16,no.1,pp.97-117,1997.)，使保持在运动参考位置Pd的动子开始移动直至f＝fr；
其中，自适应阻抗控制方法通过引入间接自适应控制方法，设计自适应控制器，实现音圈电机的动子的位移跟踪情况下对fr的跟踪。
步骤4，使机器人调整机器人力控末端执行器在待加工物体表面的姿态和位置，控制器读取力传感器9的力矩值M1，打磨头与待加工物体表面接触期望力矩值为Mr，计算M1和Mr的偏差，将偏差转换为机器人调整机器人力控末端执行器的偏转角度(参考文献：Bosheng,Ye,et al.A Study of Force and Position Tracking Control for RobotContact with an Arbitrarily Inclined Plane[J],International Journal ofAdvanced Robotic Systems,vol.10,no.1,2013.)；
控制器读取位移传感器读数，检测音圈电机的动子的位置，将此时位置与运动参考位置Pd的误差反馈至机器人的控制柜，控制柜基于宏运动控制算法使机器人沿音圈电机运动方向移动，控制器采用自适应阻抗控制方法使音圈电机的动子移动至运动参考位置Pd，机器人使移动机器人力控末端执行器沿着待加工物体表面开始移动且此时启动电主轴；
步骤5，当力传感器9获得的力值f小于fr，重复步骤2～4。
通过本发明的技术方案，在待加工物体出现较大的外形尺寸误差时，机器人通过力传感器获得的力和力矩数据和位移传感器获得的位置数据进行机器人力控末端执行器姿态和位置调整，可以使机器人沿着未知的工件轮廓运动而不会失去接触。当待加工物体几何尺寸变化的速率在机器人系统带宽之内，就可以满足机器人的跟踪能力，但此方案在超出机器人力控末端执行器工作范围的情况下，也能发挥相应功能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
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