机器人打磨自由曲面的轮廓跟随恒力控制算法研究

摘要

市场上传统的工业机器人都是基于位置控制的，它能很好地完成如喷釉、搬运和焊接等非接触或者对接触力大小没严格要求的工作。但是，对于打磨和抛光的应用来说很小的位置误差都会产生很大的接触力变化。通常由于轨迹规划的误差，有的地方因为打磨力太小而没有达到期望的打磨效果，有的地方因为打磨力太大而导致工件的损坏。因此，对接触力控制精度有严格要求的打磨和抛光工作来说工业机器人根本无法使用。本文针对陶瓷素坯打磨和不锈钢制品抛光的应用，开发基于位置控制的机器人力控制算法，实现对刚度和形状参数未知的曲面轮廓跟踪与恒力控制。
　　首先，对机器人打磨曲面的过程进行受力分析，分别在自由空间和受力空间建立基于位置的阻抗控制方法。通过机器人的位置和姿态修正来实现机器人与环境的接触力控制，并对打磨过程中针对机器人的打磨工具与工件的干涉问题提出了相应的轨迹修正方法。
　　然后，通常我们难以建立6R机器人精确的动力学模型，这会对阻抗控制算法的力控制效果造成干扰。因此，本文将使用平面2R机器人作为仿真对象，根据平面2R机器人的运动学和动力学方程再结合阻抗控制的数学模型推导出机器人与环境接触的动力学方程，建立了传统阻抗控制的仿真模型和自由空间的阻抗控制仿真模型。另外，为了提高力控制的精度和鲁棒性，在受力空间的阻抗控制模型中提出了基于模糊PI的力闭环阻抗控制方法，并建立了仿真模型。
　　其后，通过仿真实验分析阻抗控制器的参数(惯性矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵)对接触力控制的影响。另外，通过不同刚度的环境分别对传统阻抗控制方法和本文提出的阻抗控制方法进行仿真对比实验，验证本文提出的阻抗控制方法对接触力控制的效果。
　　最后，基于安川的 HP20D机器人本体和固高的控制器搭建机器人与环境接触的力控制实验平台，并对力传感器采集的力信号进行滤波和重力补偿处理；通过阻抗控制算法实现机器人的柔性化，改善人机交互的性能；通过机器人与自由曲面接触的实验，验证本文提出的基于模糊PI的力闭环阻抗控制方法能实现对刚度和形状参数未知的曲面轮廓跟踪和接触力的控制。通过与传统阻抗控制方法打磨工件的效果对比，验证了本文提出的力控制方法在解决陶瓷素坯打磨和不锈钢制品抛光的力控制上具有很好的应用前景。

目录

第一章 绪论

1.1 机器人力控制的背景及意义

1.2 机器人力控制的方法

1.3 机器人力控制的发展现状及成果

1.4 本文的主要工作

第二章 机器人与环境接触的力控制研究

2.1 引言

2.2 机器人与环境接触的受力分析

2.3 基于位置控制的阻抗控制方法

2.4 机器人在线轨迹修正及恒力跟踪控制

2.5 机器人末端姿态的调整

2.6 机器人打磨的干涉和轨迹修正

2.7 本章小结

第三章 机器人与环境接触的动力学仿真模型

3.1 引言

3.2 平面2R机器人的动力学

3.3 传统阻抗控制方法的动力学仿真模型

3.4 自由空间的阻抗控制动力学仿真模型

3.5 受力空间的阻抗控制动力学仿真模型

3.6 本章小结

第四章 阻抗控制器参数和环境刚度对力控制的影响

4.1 引言

4.2 自由空间的刚度矩阵对接触力控制的影响

4.3 受力空间的阻抗控制器参数对接触力控制的影响

4.4 环境刚度对接触力控制的影响

4.5 本章小结

第五章 机器人与环境接触的力控制实验

5.1引言

5.2 机器人力控制的实验平台

5.3 力信号的采集和处理

5.4 机器人的柔性化

5.5 机器人与环境点接触的力控制实验

5.6 曲面的轮廓跟踪与恒定接触力的控制实验

5.7 本章小结

总结与展望

一、全文总结

二、展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢