面向航天器装配的机械臂柔性力控研究.pdf

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1、面向航天器装配的机械臂柔性力控研究StudyonFlexibleForceControlonRobotArmforSpacecraftAssembly北京卫星环境工程研究所Y-Yl娥张成立孟伟熊涛胡瑞钦【摘要】针对航天器装配的特点，研究一种机械臂柔性力控方法：在机械臂末端安装六维力传感器感力与力矩信息，通过重力补偿消除负载重力的影响，得到外部作用力／力矩信息作为输入控制机械臂运动，实现负载的柔性随动。关键词：机械臂柔性力控碰撞检测航天器装配【ABSTRACT】Basedonthecharacteristics

2、ofthespacecraftassembly，aflexibleforcecontrolmethodonrobotarmisstudied：6-axisforce／torquesensorismountedontheendofrobotarm，throughgravitycompensation，theexternalforce／torqueinformationcanbeobtained，whichisusedasinputparameterstocontroltherobotarmmovefollowi

3、ngtheexternalforce／torque．Keywords：RobotarmFlexibleforcecon-trolCollisiondetectionSpacecraftassembly航天器产品通常不成批量，难以做到自动化生产，目前的装配作业大量依赖人工操作，并辅以吊具、翻转支架车等简易工具进行不同零部件的安装。人工操作的方式柔性程度高，适合于航天器小量研制的特点。但对于大重量零部件的安装，人工托举难以稳定地把控被安装对象，特别是在安装空间狭小的情况下，难以对被安装件进行位姿调整，易发生磕碰，

4、损伤产品的风险较高。机械臂具有载重量大、调整精度高等特点，可以实现大重量零部件的稳定保持与精确调整。但机械臂通常应用于批量产品的生产流水线，面对固定的工况，不断重复相同的动作，生产效率高。如何在工况多变的航天器装配中有效、灵活地发挥机械臂的特点，解决大重量设备的安装难题，提高装配过程的安全可靠性，提高产品质量及生产效率，是应用机械臂进行航天器装配需要解决的问题。本文针对航天器装配的特点，研究一种机械臂的柔性力控方法，旨在提高航天器大重量装配的质量、效率和安全性。1机械臂柔性力控方法在机械臂的一些特殊应用(如轴

5、孔装配，曲面磨削，去毛刺等)中，通常采用“柔顺控制”Ⅲ使机械臂末端顺应工件边界，并能将接触力保持在适当的范围内。柔顺控制方法分为被动柔顺和主动柔顺2种【2J：被动柔顺控制是设计一种柔性机械装置，并把它安装在机械臂的腕部，用来提高机械臂末端顺应外部环境的能力[31；主动柔顺是根据力传感器的反馈信息，结合适当的控制方法(如阻抗控制一l、力／位混合控制嘲等)，根据实际作用力与理想作用力之间的误差对机械臂的运动轨迹进行实时修正，以使接触力保持在要求的范围内睁7】。柔顺控制可以使机械臂在既定轨迹的基础上作微小修正，将接

6、触力保持在适当、安全的范围内，还可以通过对机械臂末端施力，牵引其进行大范围的运动。德国KUKA公司开发的LWR轻型机器人借助关节力矩、位置的反馈控制可以实现随人手牵引运动【8l，但该款机器人的额定负载较小(7kg)，在随人手运动控制中未考虑负载重力的影响。现有机械臂的柔性控制均针对负载较小【8】、或者空间微重力f1·41的情况，不考虑负载重力的影响。但在地面环境、负载较大的情况下，负载重力对机械臂力反馈的影响不可忽略，要利用机械臂实现航天器大重量设备的柔性随动控制，必须对负载重力的影响进行补偿。本文研究的机械

7、臂柔性力控方法为：在机械臂末端安装六维力传感器感知作用其上的力与力矩信息，通过负载重力补偿算法消除负载重力的影响，得到外部作用的力／力矩信息作为输入，控制机械臂运动，实现负载的柔性随动及碰撞检测。采用这种方法，操作者用较小的力即可控制调整大重量工件的位姿，且可以直观地按照日常操作习惯对机械臂末端负载进行位姿调整，不易出现误操作。这种方法将机械臂载重量大、运行稳定精度高的特点，与人观察、操作的灵活性相结合，适用于航天器复杂多变的装配工况。2机械臂柔性力控实现2．1系统组成2014年第21期·航空制造技术147先

8、进塑监里坠坚堕型垦竖型型盟图1机械臂柔性力控系统组成不恿图Fig．1Diagramforflexibleforcecontrolsystemonrobotarm机械臂柔性力控系统如图1所示，主要由工控机、机械臂控制器、机械臂、大小2个六维力传感器、末端执行器、工件等组成。在该系统中，工控机对六维力传感器信号进行采集与处理，根据受力信息及柔性力控算法生成机械臂运动指令，发送至机械臂控制器中，控制机械臂