一種應(yīng)用于打磨機(jī)器人的力/位混合控制技術(shù)

　　本文根據(jù)打磨機(jī)器人作業(yè)對(duì)位置和力同時(shí)控制的要求，在分析了基于位置伺服力/位混合控制策略的基礎(chǔ)上，對(duì)基于速度伺服的力/位混合控制策略進(jìn)行了研究，對(duì)測(cè)量的力信號(hào)進(jìn)行了濾波、重力補(bǔ)償及傳感器坐標(biāo)系標(biāo)定等處理，以提高所測(cè)力信號(hào)的抗干擾性和準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明：該方案可以滿足打磨機(jī)器人對(duì)位置和力分別控制的要求。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)打磨拋光加工的需求不斷增長(zhǎng)。然而，目前我國(guó)打磨拋光加工主要以人工為主，人工打磨效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度不高，而且產(chǎn)品均一性差，工人工作環(huán)境惡劣，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，已經(jīng)成為打磨拋光行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。因此，自動(dòng)打磨拋光設(shè)備的研究引起了很多高校、科研機(jī)構(gòu)和公司的廣泛關(guān)注。

　　打磨拋光機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高質(zhì)量的自動(dòng)化打磨，為代替人工打磨提供了一種有效的解決方案。打磨機(jī)器人的核心為力控制技術(shù)，通過控制加工軌跡和打磨工具末端的力保證打磨質(zhì)量，即對(duì)機(jī)器人的位置和力這兩方面都要進(jìn)行控制。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出較成熟的位置控制型機(jī)器人，對(duì)力控制機(jī)器人也開展了很多研究，但是大部分力控制機(jī)器人都是基于位置伺服實(shí)現(xiàn)的，其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不能對(duì)力進(jìn)行直接控制，影響了力控制的精度和效果。針對(duì)上述情況，筆者對(duì)基于速度伺服的力控制打磨機(jī)器人進(jìn)行了研究，給出了打磨機(jī)器人系統(tǒng)組成，對(duì)測(cè)量的力信號(hào)進(jìn)行了濾波、重力補(bǔ)償和傳感器坐標(biāo)系標(biāo)定，提高了所測(cè)力信號(hào)的抗干擾性和準(zhǔn)確性，最后對(duì)上述算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

　　打磨機(jī)器人系統(tǒng)（圖1）由新松6kg工業(yè)機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、路徑規(guī)劃計(jì)算機(jī)、打磨工具、六維力－力矩傳感器及打磨工作臺(tái)等組成，六維ATI力－力矩傳感器安裝在機(jī)器人六軸末端法蘭盤上，用來測(cè)量在傳感器坐標(biāo)系下x、y、z3個(gè)方向所受力和力矩大小。打磨工具通過連接件安裝在力－力矩傳感器的測(cè)量面。路徑規(guī)劃計(jì)算機(jī)用來規(guī)劃打磨工具在待加工工件上的打磨路徑，其輸出和機(jī)器人控制柜相連。打磨機(jī)器人的加工過程為：首先路徑規(guī)劃計(jì)算機(jī)對(duì)打磨工具在工件上的打磨路徑進(jìn)行規(guī)劃，并將規(guī)劃完的機(jī)器人位置信息傳遞給機(jī)器人位置控制器，機(jī)器人位置控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到達(dá)相應(yīng)位置開始打磨，力－力矩傳感器測(cè)量打磨工具和加工件之間的力大小，再將測(cè)量的信息傳遞給力控制器，力控制器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持打磨工具和加工件之間的力相對(duì)恒定，從而保證打磨的效果。

　　2．1濾波器設(shè)計(jì)

　　傳感器在實(shí)際測(cè)量中，會(huì)受到各種因素的干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，對(duì)力控制的精度造成影響，因此在得到力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)后要進(jìn)行濾波。由于噪聲信號(hào)多分布在高頻部分，信號(hào)集中在低頻部分，故選用巴特沃斯數(shù)字低通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波。

　　ATI力－力矩傳感器采樣頻率fs為7000Hz，根據(jù)實(shí)際測(cè)量其工作頻率范圍集中在0～200Hz，而噪聲信號(hào)分布在高頻部分，故該巴特沃斯低通

　　本方案的大體思路分為兩個(gè)部分：

　　a．建立機(jī)器人工具末端測(cè)量力和關(guān)節(jié)空間

　　速度的關(guān)系。即將機(jī)器人工具末端測(cè)量的力轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間速度信號(hào)，并將該信號(hào)加入到伺服電機(jī)的速度環(huán)上。這種基于速度伺服的力控制策略比基于位置伺服的力控制策略響應(yīng)速度快，對(duì)力可以進(jìn)行直接控制。

　　b．采用力/位混合的控制策略，通過S矩陣來選擇每個(gè)方向是位置控制還是力控制，滿足打磨應(yīng)用對(duì)力、位置兩方面控制的要求。

　　圖4所示為基于速度伺服的力/位混合控制系統(tǒng)方框圖，從圖中可知本控制方案主要包括兩個(gè)控制回路：力控制回路和位置控制回路。在力控制回路中，用ATI力傳感器測(cè)量外力大小，得到

　　筆者對(duì)基于速度伺服的力/位混合控制策略進(jìn)行了研究，給出了打磨機(jī)器人系統(tǒng)組成，對(duì)采集的力信號(hào)進(jìn)行了濾波、重力補(bǔ)償及傳感器標(biāo)定等處理，消除了外界對(duì)力測(cè)量信息的干擾。對(duì)控制算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠滿足機(jī)器人打磨應(yīng)用對(duì)位置和力控制的要求。