基于力矩控制零力平衡拖动示教应用案例

2018-01-01 14:24:00

应用背景

       在“工业 4.0” 和 “中国制造 2025”的背景下,为了适应现代工业快速多变的特点以及满足日益增长的复杂性要求,机器人不仅要能长期稳定地完成重复工作,还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性的特点。

作为工业机器人继续发展与创新的一个重要方面,示教技术正在向利于快速示教编程和增强人机协作能力的方向发展。实际应用最多的传统的示教盒示教要求操作者具有一定的机器人技术知识和经验,示教效率较低。与示教盒示教相比,拖动示教法可以无需操作者掌握任何机器人知识及经验,操作简单且快速,极大地提高了示教的友好性、高效性。


相关概念

1、拖动示教

      是指在操作者的牵引下(牵引末端或者牵引某一个操作臂),操作臂会沿着人的作用力方向移动。这一功能可以很方便地进行规划轨迹(对过程轨迹精度不高的任务),以便操作者记录和复现轨迹,而无需人工编程,降低了对操作者的门槛,提高了效率。


2、基于传感器的拖动示教

      传统的拖动示教依赖于外置于机器人的多维力矩传感器(包括基座型、关节型、末端型),利用该传感器获取的力矩信息,计算出期望的运动方向和速度。此方法虽然能够提高控制精度,但同时也带来了成本的增加、安装维护的不便。高精度传感器的成本甚至高于机器本体。


3、基于力矩控制的零力平衡的拖动示教

      对于刚性工业型机器人,在不增加制造、维护成本的前提下,借助机器人的动力学模型,控制器可以实时算出机器人被拖动时所需要的力矩,然后把该力矩提供给电机,使得机器人能够很好地辅助操作人员进行拖动,满足人机良好交互要求。



工作原理

1、机器人动力学原理

     我们使用牛顿-欧拉迭代法方程建立机器人动力学模型:


      以上方程我们只是计算连杆部分的受力情况,另外还需要考虑电机转子动力学和关节摩擦力矩,通过如下公式计算:


      为了方便理解动力学我们换例外一种形式,写成串联机械臂动力学的封闭解为:

      这种形式可以更好理解机器人运动所受到的力矩性质。


2、控制方法

      串联机械臂运动控制有多种方法,比较有代表性的三种:独立关节嵌套双环控制、独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制、计算力矩控制,另外还有拖动示教控制,下面做简单比较:


1、独立关节嵌套双环控制:指的是每个关节单独使用两个闭环控制,外面的控制环为关节角度控制环,里面的控制环为关节角速度控制环。这种方法是最早期的机器人控制方式,仅从简单的电机控制角度出发,不考虑电机负载随运动的变化,所以这种方式跟踪精度比较差。



2、独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制:在独立关节嵌套双环控制的基础上,将重力和摩擦力的前馈补偿直接施加到力矩输出端。这种算法考虑了力矩影响的主要因素重力和摩擦力,因为在机器人的所有力矩中,在通常的工况下这两项力矩占比非常大,更高速的情况还可以把加速度项力矩、离心力和科式力项力矩加入进去(通常不这么做是因为由传感器差分得到的角加速度噪声太大)。在工业机器人上更多采用这种控制方式,是本案的实际采用方法。


3、计算力矩控制:这种控制方式是建立在动力学模型很准确的前提下的,将重力力矩、哥氏力和离心力力矩、摩擦力矩一起加入到前馈中去之后,系统可以简化成二阶系统,那么可以通过调整角度、角速度反馈的系数,使得二阶系统处于临界阻尼状态,机器人控制系统具有很好的控制性能。这种控制方式难点在能够把模型建立得足够准确,是典型的科研方向之一。


4、拖动示教:示教是根据当前位置和速度进行重力矩和摩擦力矩补偿,然后操作臂沿着人施加力的方向运动。


数字仿真

      基于独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制的串联机械臂动力学控制系统数字仿真模型如下图所示,它根据期望的关节轨迹计算出控制机器人对象的力矩(包含反馈),并把该力矩发送到被控的机器人动力学模型,并通过它算出机器人实际的轨迹,控制模型的大体框图如下图所示:


如上图所示,轨迹生成模块、力矩计算模块、机器人对象模块。

1、轨迹生成模块:根据笛卡尔空间的轨迹经过逆运动学生成关节空间的连续光滑关节轨迹。

2、力矩计算模块:根据期望的关节轨迹和实际反馈回来的机器人轨迹计算出控制机器人的力矩,这就是控制算法部分。

3、MJ05S对象模块:根据机器人本体(型号:MJ05S)的动力学参数建立动力学模型,模拟被控对象。

下图为有无重力/摩擦力补偿的速度跟踪对比

      从图中可以看出在没有补偿的情况,启动的时候关节会向受重力作用方向运动(比如关节2、3),并且受静摩擦力矩影响,启动延时。有前馈后阶跃响应超调减小,速度跟踪效果好得多。


试验平台

      研发版工业六轴机器人主要包括1台快速控制原型系统,1台工业级六轴机器人,以及图像采集、处理装置。快速控制原型系统系统采用“上-下”位机架构,上位机是1台Windows开发主机,是用户进行机器人控制系统设计和试验运行管理的环境;下位机是1台快速原型仿真器(即机器人控制器),运行机器人控制模型实时代码,并通过I/O硬件与六关节驱动器连接;驱动器直接驱动机器人六关节电机转动,最终实现机器人末端位置按照期望的轨迹运动。

1、系统特点

 开发环境友好:基于Matlab Simulink开发机器人控制系统模型,极大降低了机器人控制系统设计的学习难度;

 平台实时性强:控制程序在VxWorks实时操作系统上运行,实时性能可达20us级;

 高精度工业级机器人:六关节全伺服驱动,精度可达0.03mm;

 多样化的调试手段:支持控制器模型任意参数的在线修改、任意系统变量的在线监测,以及所有观测数据的实时存储、离线回放、数据导出等丰富的开发调试手段;

 开源示例:平台提供完全开源的机器人运动学、动力学和图像识别相关算例和培训文档,

                       为研究生进行机器人控制算法设计、机器人本体参数测试、驱动器参数实际调校,提供了工程化的参考实例。


2、实验内容

 入门实验内容:快速入门实验、机器人机械系统认识实验、机器人控制系统认识实验、机器人示教编程与再现控制、机器人坐标系建立;

 中阶实验内容:机器人正/逆运动学分析、机器人轨迹规划离线仿真实验、机器人空间直线/圆弧运动实验、机器人搬运装配实验;

 高阶实验内容:机器人动力学相关(机器人动力学数学仿真实验、基于实测数据的机器人数学理论模型修正、独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制;拖动示教;

                              视觉图像相关(双目摄像头参数标定实验、机器人视觉测量及定位实验、机器人目标跟踪实验)。

Connecting Education and Engineering Application. Accelerating Scientific Innovation
扫描二维码

服务热线: 010-57325131