基于打磨机器人的力∕位混合控制策略研究.pdf

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1、884化工自动化及仪表第39卷基于打磨机器人的力／位混合控制策略研究张庆伟1’2韩利利卜2徐方1’3贾凯’。3邹风山3(1．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室．沈阳110016；2．中国科学院研究生院，北京100049；3．新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168)摘要根据打磨机器人作业对位置和力同时控制的要求，在分析了基于位置伺服力／住混合控制策略的基础上．对基于速度伺服的力／位混合控制策略进行了研究，对测量的力信号进行了滤波、重力补偿及传感器坐标系标定等处理，以提高所测力信号的抗干扰性和准确性。仿真结果表明：该方案可以

2、满足打磨机器人对位置和力分别控制的要求。关键词力／位混合控制速度伺服重力补偿打磨机器人中图分类号TH873．6文献标识码A文章编号1000-3932(2012)07-0884-04随着科学技术的进步和制造业的不断发展，市场对打磨抛光加工的需求不断增长。然而，目前我国打磨抛光加工主要以人工为主，人工打磨效率低下，费时费力，精度不高，而且产品均一性差，工人工作环境恶劣，难以实现自动化生产，已经成为打磨抛光行业进一步发展的瓶颈⋯。因此，自动打磨抛光设备的研究引起了很多高校、科研机构和公司的广泛关注‘2。1。打磨抛光机器人能够实现高效率、高质量的自动

3、化打磨，为代替人工打磨提供了一种有效的解决方案。打磨机器人的核心为力控制技术，通过控制加工轨迹和打磨工具末端的力保证打磨质量，即对机器人的位置和力这两方面都要进行控制。目前国内外已经研发出较成熟的位置控制型机器人‘4‘51，对力控制机器人也开展了很多研究¨1，但是大部分力控制机器人都是基于位置伺服实现的，其响应时间长，不能对力进行直接控制，影响了力控制的精度和效果。针对上述情况，笔者对基于速度伺服的力控制打磨机器人进行了研究，给出了打磨机器人系统组成，对测量的力信号进行了滤波、重力补偿和传感器坐标系标定，提高了所测力信号的抗干扰性和准确性，最

4、后对上述算法进行了仿真实验。1打磨机器人系统组成打磨机器人系统(图I)由新松6kg工业机器人本体、机器人控制柜、路径规划计算机、打磨工具、六维力一力矩传感器及打磨工作台等组成，六维ATI力一力矩传感器安装在机器人六轴末端法兰盘上，用来测量在传感器坐标系下石、Y、：3个方向所受力和力矩大小。打磨工具通过连接件安装在力一力矩传感器的测量面。路径规划计算机用来规划打磨工具在待加工工件上的打磨路径，其输出和机器人控制柜相连。打磨机器人的加工过程为：首先路径规划计算机对打磨工具在工件上的打磨路径进行规划，并将规划完的机器人位置信息传递给机器人位置控制器

5、，机器人位置控制器驱动机器人到达相应位置开始打磨，力一力矩传感器测量打磨工具和加工件之间的力大小，再将测量的信息传递给力控制器，力控制器对机器人进行调节以保持打磨工具和加工件之间的力相对恒定，从而保证打磨的效果。路径规划计算机图1打磨机器人系统收稿日期：2012-04-06第7期张庆伟等．基于打磨机器人的力／位混合控制策略研究8852力信息处理2．1滤波器设计传感器在实际测量中，会受到各种因素的干扰，测量数据会发生波动，对力控制的精度造成影响，因此在得到力传感器测量的数据后要进行滤波。由于噪声信号多分布在高频部分，信号集中在低频部分，故选用巴

6、特沃斯数字低通滤波器对其进行滤波。ATI力一力矩传感器采样频率，为7000Hz，根据实际测量其工作频率范围集中在0—200Hz，而噪声信号分布在高频部分，故该巴特沃斯低通滤波器的通带截止频率工可设为200Hz，阻带截止频率正。设为350Hz，通带容限6。设为3dB，阻带容限占。。设为30dB。采用先设计模拟低通滤波器再利用双线性变换数字化的方式设计巴特沃斯数字低通滤波器。根据上述指标求得滤波器阶数N=7，3dB截止频率n。=1．3539×10’。滤波器传递函数为：。、酣t2～l，(：)州加恙1≥。器+∑口‘：。“”7其中bo=5．1248x1

7、0一，bl=3．5874X10一，b，=1．0762×10～，b3=1．7937×10～，b。=1．7937x10～。b。=1．0762×10一，b。=3．5873X10一’，b7=5．1258×10—5。ol=一6．1340，02=16．2400，a3=一23．7515，口4=21．0121，05=一11．1450，口。=3．3080，口，=一0．4180。所设计的滤波器幅频特性如图2所示。用上述滤波器对力传感器上载一重物静止不动的情况进行测试，结果如图3所示。为更好地表示数据的波动，图3中数据减去了其均值，可知滤波之前测量数据最大波动为0

8、．8N，滤波之后最大波动为0．2N。采用滤波器之后可以对高频噪声进行有效抑制。∞王蛰馨图2滤波器幅频特性止。_<；：二L．山■叩■飞啊⋯r1"■滤波器滤波后的数靠t