工業(yè)機(jī)械臂末端執(zhí)行器自動(dòng)化裝配技術(shù)研究①

黃 洋

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,安徽 合肥 230011)

0 引 言

近十年來,機(jī)器人在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、特殊行業(yè)等行業(yè)占據(jù)越來越大的市場份額。同時(shí)人機(jī)交互技術(shù)也取得了非常大的成績,尤其是在制造行業(yè)[1]。有數(shù)據(jù)顯示,力矩和接觸力對(duì)工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)生較大的影響。目前常見的力控制策略包括鋼量和柔量控制,但這兩種方法并不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)裝配過程中的環(huán)境和機(jī)械臂的柔順性[2]。與此同時(shí),國內(nèi)外在工業(yè)機(jī)械臂的柔順控制方面已經(jīng)有一些研究成果,但大多數(shù)的研究引入傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,極大增加了開發(fā)成本,不利于大規(guī)模的應(yīng)用[3]。此次研究在分析滑膜阻抗控制和內(nèi)抗阻抗控制的方法上,提出了滑膜阻抗控制保證機(jī)械臂末端執(zhí)行器的柔順控制,進(jìn)一步提升機(jī)械裝配過程中的智能化、高效性、實(shí)時(shí)跟蹤的特點(diǎn)。

1 工業(yè)機(jī)械臂末端執(zhí)行器自動(dòng)化裝配技術(shù)

1.1 UR5機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模

(1)

(2)

(3)

(4)

結(jié)合各個(gè)連桿的雅克比矩陣和機(jī)械臂對(duì)稱正定的慣性矩陣即可得獲取重力矩向量、科氏力矩陣、慣性矩陣。在實(shí)際運(yùn)用過程中,通常會(huì)將動(dòng)力學(xué)映射至笛卡爾空間,所得到動(dòng)力學(xué)公式包括笛卡爾空間中的慣性矩陣、科氏力矩陣、重力矩陣。機(jī)械臂執(zhí)行末端的受力情況可依據(jù)虛移功原理解決。外力可以通過關(guān)節(jié)的外部力矩進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)考慮外力作用的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為的式(5),τext是指外部力矩。

(5)

1.2 末端執(zhí)行器柔順控制方法

此次研究通過動(dòng)態(tài)模型的補(bǔ)償控制實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的精準(zhǔn)跟蹤,分為阻抗控制和位置內(nèi)環(huán)阻抗控制。若執(zhí)行器的力矩和接觸力均不為0時(shí),可以通過機(jī)械臂逆動(dòng)力學(xué)的控制力的計(jì)算公式可以得到接觸力和力矩造成了非線性耦合項(xiàng)。同時(shí)經(jīng)過廣義主動(dòng)阻抗表達(dá)式可知力矩和接觸力與末端執(zhí)行器位姿誤差的聯(lián)系。廣義主動(dòng)阻抗以質(zhì)量矩陣為主,可經(jīng)阻尼矩陣和剛度矩陣對(duì)末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行控制。非線性和耦合性是質(zhì)量矩陣使得機(jī)械臂控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)環(huán)境和末端執(zhí)行器的交互的式過程中,必須要及時(shí)得到相應(yīng)的力矩和接觸力,以保證系統(tǒng)的解耦和線性特點(diǎn)。接觸力不為0時(shí),動(dòng)力學(xué)公式中引入附加項(xiàng),補(bǔ)償力矩和接觸力,無限放大的末端執(zhí)行器對(duì)環(huán)境的剛度。確保機(jī)械臂和環(huán)境交互過程中始終維持良好的柔順性,務(wù)必要選取合理的阻抗參數(shù)。當(dāng)末端執(zhí)行器在空間自由運(yùn)動(dòng)的過程中,可以通過式(6)計(jì)算得到干擾。

KMH-1(φe)d

(6)

KM,KD,Kp均為機(jī)械臂水平或者旋轉(zhuǎn)方向的矩陣參數(shù)調(diào)整阻抗特性,H是指力矩,Δxde是指x軸向變化的位置。若機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持平穩(wěn)時(shí),既可以通過低權(quán)重參數(shù)矩陣達(dá)到抗干擾的目的,這種參數(shù)矩陣是指輕質(zhì)末端執(zhí)行器的剛性控制。如果出現(xiàn)末端執(zhí)行器和剛性較大的環(huán)境進(jìn)行交互時(shí),必須要從阻抗控制中吧運(yùn)動(dòng)控制隔離開。運(yùn)動(dòng)控制以提高剛度為目標(biāo),從而增加抗干擾能力,它是確保阻抗控制中生成新的位置和方向。研究引入的期望坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系解決上述問題。參考坐標(biāo)又被成為柔性坐標(biāo)系,通過位置向量和旋轉(zhuǎn)矩陣共同決定。同時(shí)逆動(dòng)力學(xué)控制仍然是有效的。接下來分析六自由度機(jī)械臂的阻抗控制,首先需要計(jì)算質(zhì)量剛體導(dǎo)致的慣性力,然后計(jì)算耗散阻尼力,最后計(jì)算機(jī)械臂連桿作用的力。

2 自動(dòng)化裝配控制性能分析

實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行UR5機(jī)械臂執(zhí)行末端的外力測(cè)算和碰撞檢測(cè)效果,為了便于驗(yàn)證效果,將工作區(qū)間約束在二維平面,且末端執(zhí)行器設(shè)置在z軸方向上運(yùn)行,從初始位置開始向下運(yùn)行。

當(dāng)末端執(zhí)行器和障礙物發(fā)生碰撞時(shí)后,然后逐漸返回到初始位置。整個(gè)過程碰撞發(fā)生兩次。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間的變化情況如圖1(a)所示,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,6.5s和18s后,2,3,4關(guān)節(jié)角度變化非常大,關(guān)節(jié)角度分別為-2rad,-1.75rad,-0.9rad。鑒于機(jī)械臂的期望軌跡在xoz平面,1,5,6關(guān)節(jié)角度未發(fā)生變化。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角加速度隨時(shí)間的變化情況如圖1(b)所示,2,3,4關(guān)節(jié)的角加速度變化非常明顯,相應(yīng)的角加速度分別為4.2rad/s*s,3rad/s*s,-7.8rad/s*s。當(dāng)機(jī)械臂末端執(zhí)行器接觸障礙物時(shí),2,3,4關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)收到非常大的阻礙,導(dǎo)致加速度發(fā)生非常大的變化。而1,5,6關(guān)節(jié)角度未發(fā)生明顯的變化,加速度均維持在±0.1rad/s*s。

圖1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度和角加速度變化

圖2 機(jī)械臂關(guān)節(jié)的力矩變化

機(jī)械臂關(guān)節(jié)的力矩隨著時(shí)間的變化情況如圖2所示。當(dāng)時(shí)間從0s到6.5s,關(guān)節(jié)2的力矩從25Nm變化到30Nm,關(guān)節(jié)3的力矩從18Nm變化到15Nm。但當(dāng)時(shí)間為6.5s或者18s,關(guān)節(jié)2的力矩從30Nm猛增至45Nm左右,關(guān)節(jié)3的力矩從15Nm猛增至25Nm左右。而關(guān)節(jié)4,5,6的關(guān)節(jié)力矩也未發(fā)生變化,這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)加速度幾乎為0。

實(shí)際接觸力和虛擬力觀測(cè)器估算的對(duì)比情況如圖3(a)所示。依據(jù)幅值的情況可以看出,虛擬器觀測(cè)到外力基本上可以體現(xiàn)實(shí)際的接觸力。圖3(b)是指外力估計(jì)和實(shí)際值的差距。機(jī)械臂和環(huán)境未出現(xiàn)接觸情況下,估計(jì)力的誤差較小。而出現(xiàn)障礙物接觸時(shí),誤差較大。同時(shí)數(shù)據(jù)采集過程中存在嚴(yán)重的影響因素導(dǎo)致誤差偶爾出現(xiàn)較大值。

圖3 機(jī)械臂接觸力估計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

自動(dòng)裝配目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的智能化生產(chǎn)中,它起到了越來越重要的作用。此次研究針對(duì)工業(yè)機(jī)械臂末端執(zhí)行器在自動(dòng)裝配技術(shù)中存在的問題,提出一種自動(dòng)化柔順阻抗控制方法。該方法以UR5機(jī)械臂為例建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)分析機(jī)械臂的廣義動(dòng)力和關(guān)節(jié)干擾力矩以實(shí)現(xiàn)外力估算,并在優(yōu)化后的內(nèi)環(huán)阻抗控制的基礎(chǔ)上建立滑膜控制方法。UR5機(jī)械臂在垂直碰撞過程中,2,3,4關(guān)節(jié)角度在時(shí)間為6.5s和18s的變化最大,1,5,6關(guān)節(jié)角度未變化最大。當(dāng)時(shí)間為6.5s或者18s,關(guān)節(jié)2的力矩從30Nm猛增至45Nm左右,關(guān)節(jié)3的力矩從15Nm猛增至25Nm左右。實(shí)際接觸力可以通過虛擬力觀測(cè)器估算得到,偶爾出現(xiàn)的誤差是其他因素的影響。