一种力传感器解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法

技术领域

本发明涉及末端执行器、自动控制领域，特别是一种力传感器解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法。

背景技术

传统的工业机器人末端执行器的控制策略主要是位置控制，但是越来越多的非结构化环境中也需要末端执行器与环境的接触操作任务，比如在磨抛、孔轴装配、抓取等，传统的高刚度位置控制虽然能够精确的到达准确的位置，但无法满足一些接触式操作任务的需求。由于末端执行器的高刚度特性，在末端执行机构与工件接触时，往往容易发生很大的冲击，工件及执行机构容易因过大的振动及冲击造成不可逆的损坏，严重时可能会导致设备失效等情况发生。

解决上诉问题的方法是降低末端执行器的刚度或者提高末端执行器的阻尼，使得末端执行器呈现一定的柔顺性，从而可以有效的减小末端执行器与工件之间的冲击。

解决上诉问题，现存的研究主要分为两种方式，分别是结构设计方面和控制策略方面。对于结构设计方面，相关研究通过设计不同的机构实现刚度和阻尼的改变，虽然这种方法可以实现机构刚度和阻尼的变化，但是该类方法仍然受到机械结构的影响，可移植性不够好。对于控制策略方面，常见于使用刚度模型等控制方法，通过改变刚度模型的参数从而实现刚度的改变，但是该方法存在着可变刚度范围不够大、刚度精度不够高等缺点。因此解决上诉问题的方法是提出一种力传感器解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种力传感器解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法，其可通过改变阻抗控制器参数的方式控制末端执行器的阻抗，通过改变末端执行器机构的阻抗，从而改善及减小末端执行器末端与工件之间接触时的冲击。

本发明采用的技术方案是：

一种力传感器解耦的末端执行器机构，包括：

用于与机器人连接的传感器端，所述的传感器端包括：用于与机器人连接的力传感器以及设置在所述力传感器上的固定平台；

与所述固定平台滑动配合的移动平台；

设置在所述固定平台和移动平台之间的滑动机构。

所述的滑动机构具体包括：

设置在所述固定平台上的连杆；

设置在所述连杆上的滑轨；

与所述滑轨配合的滑块；

所述滑块与所述移动平台连接；

驱动所述滑块在所述滑轨上直线运动的驱动机构。

所述驱动机构为直线型电机。

所述直线型电机包括：

设置所述固定平台上的直线型电机定子；

设置在所述移动平台上与所述直线型电机定子配合的直线型电机动子。

所述连杆上设置有朝向所述直线型电机动子的直线编码器。

进一步优选，一种力传感器解耦的末端执行器机构，包括直线型电机、固定端、移动端和直线编码器。

直线型电机，为末端执行器提供直线方向的动力来源，实现末端执行器的运动，其包括定子和动子；

固定端设有固定平台、多个连杆、力传感器和所述直线型电机的定子；

移动端设置有移移动平台、多个滑块和所述直线型电机的动子；

直线编码器设置于连杆，且朝向所述直线型电机动子，用于测得固定端和移动端之间的相对位移；

固定平台，设于末端执行器固定端，其一侧连接于所述直线型电机定子，另一侧固定端连接于所述力传感器。

移动平台，设于末端执行器运动端，实现末端执行器机构的运动。

连杆，设置多个悬挂于固定平台，且内侧安装有所述导轨。

导轨与滑块，实现末端执行器运动的导向作用，导轨安装于连杆内侧，滑块安装于移动平台，与导轨实现运动方向的导向及限制末端执行器的行程。

力传感器，可为应变式力传感器和压电式力传感器等，力方向为末端执行器运动方向单自由度，其安装于所述固定平台固定端侧，力传感器另一端连接于工业机器人。

进一步地，力传感器解耦的末端执行器机构，解耦方式由力传感器测得并计算力传感器解耦的末端执行器的机械阻抗和非线性力，从而改变直线型电机的输入实现对力传感器解耦的末端执行器的机械阻抗解耦。

末端执行器的机械阻抗包括有末端执行器的机械刚度以及末端执行器的机械阻尼。

一种力传感器解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制方法，采用所述的力传感器解耦的末端执行器机构，包括以下步骤：

步骤1、使用力传感器直接测量并计算力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力；

步骤2、基于步骤1所测量并计算的机械阻抗、非线性力进行补偿解耦，得到解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构；

步骤3、基于步骤2解耦后力传感器解耦的末端执行器机构增加阻抗控制器，通过阻抗控制器输出的电流信号给力传感器解耦的末端执行器机构进行可变阻抗控制。

步骤1中，使用力传感器直接测量并计算力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力，具体包括：

根据相互作用力，力传感器所测得的力包括有机械阻抗、非线性力以及直线型电机输出力，力传感器所测得的力是由上一时刻直线型电机的输出力所导致末端执行器运动而变化后当前时刻的值，故力传感器所测得的力的具体表达式如下：

F

式中F

直线型电机输出力根据直线型电机的力常数以及直线型电机的输入电流计算得到，故力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力为力传感器测得的力减去直线型电机输出力，具体表达式为：

Z

式中i

步骤2中，基于步骤1所测量并计算的机械阻抗、非线性力进行补偿解耦，得到解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构，具体包括；

力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力通过直线型电机的力常数转换为对应的电流：

式中i

将直线型电机通过驱动器置于电流环；

将机械阻抗、非线性力所转换的解耦电流添加到直线型电机电流环的输入中，此时直线型电机的输入电流包括有力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力通过直线型电机的力常数转换的对应电流，从而得到解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构。

步骤3中，基于步骤2解耦后力传感器解耦的末端执行器机构增加阻抗控制器，通过阻抗控制器输出的电流信号给力传感器解耦的末端执行器机构进行可变阻抗控制，具体包括：

解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构通过阻抗控制器输出的电流信号实现对解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构进行变阻抗控制；

阻抗控制器的参数包括有刚度和阻尼；

根据刚度与位移相关，阻尼与速度相关，故阻抗控制器的输出电流具体为：

式中i

通过阻抗控制器输出的电流信号对解耦后的力传感器解耦的末端执行器机构进行变阻抗控制，此时直线型电机的输入电流包括有阻抗控制器的输出电流和力传感器解耦的末端执行器机构的机械阻抗、非线性力通过直线型电机的力常数转换的对应电流，从而实现力传感器解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制。

进一步优选，力传感器解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建末端执行器的物理模型，从而确定末端执行器的机械阻抗；

步骤2、使用力传感器直接测量并计算末端执行器的机械阻抗、非线性力；

步骤3、基于步骤2所测量计算的末端执行器的机械阻抗、非线性力进行补偿，得到解耦后的末端执行器；

步骤4、基于步骤3解耦后的末端执行器，增添阻抗控制器，实现力传感器解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制。

构建末端执行器的物理模型，以及机械阻抗具体为：

末端执行器物理模型为二阶系统，其模型动力学方程为：

其中，K

机械阻抗采用刚度和位移的乘积、阻尼与速度的乘积、质量与加速度的乘积来表示，根据上述末端执行器动力学方程，可以得到末端执行器机构的机械阻抗为：

其中，Z

使用力传感器直接测量并计算末端执行器的机械阻抗、非线性力，具体方式为：

根据相互作用力，末端执行器固定端的受力有机械阻抗、直线型电机输出力以及非线性力，具体表达式如下：

F

其中，F

根据末端执行器固定端所受力，安装力传感器于末端执行器固定端；力传感器一端安装于末端执行器固定端，另一端安装于工业机器人，且力传感器所测得的力、机械阻抗和非线性力是由上一时刻直线型电机的输出力所导致末端执行器运动而变化后的力，故力传感器所测得的力表达式为：

F

式中F

将力传感器测量的末端执行器的机械阻抗、非线性力进行补偿，实现对末端执行器机械阻抗和非线性力的解耦，具体实施方式为：

将末端执行器的直线型电机通过驱动器置于电流环；

根据直线型电机的力常数以及直线型电机电流环的输入电流，末端执行器直线型电机当前时刻输出力可以得到：

F＝i

式中i

根据式(V)、(VI)可以求得当前时刻机械阻抗以及非线性力可以得到：

Z

式中i

根据上式(VII)，将所述末端执行器的机械阻抗及非线性力通过直线型电机力常数转换为对应的电流：

式中i

将当前时刻末端执行器机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流i

式中i

此时直线型电机电流环输入的电流包括控制器输出电流、机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流，因此实现对末端执行器机械阻抗及非线性力的解耦。

增添阻抗控制器，实现基于力传感器测量补偿的末端执行器可变阻抗控制，具体方式为：

根据刚度与位移相关，阻尼与速度相关，故阻抗控制器的输出阻抗为：

式中Z

则阻抗控制器输出的电流为：

式中i

将阻抗控制器的输出电流加到直线型电机电流环的输入中，那么此时实际输入给直线型电机电流环的电流为：

i

式中i

此时直线型电机电流环的输入电流包括有整个控制回路的期望电流、末端执行器的机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流以及阻抗控制器的输出电流。

本发明基于所设计的末端执行器机构，通过力传感器测得计算出末端执行器内部机械阻抗和非线性力的反作用力，将该部分力转化为电流补偿输入到直线型电机的电流环控制，从而实现对机械阻抗和非线性力的解耦；在上述解耦的基础上在控制器中增加阻抗控制器，最后结合不同的需要设定所需的刚度和阻尼参数，实现不同环境刚度下的变阻抗控制。上述设计的一种力传感器解耦的末端执行器机构以及末端执行器变阻抗的控制方法，集成了解耦用力传感器，可精确的实现末端执行器的主动柔顺参数的调节，实现末端执行器的主动变阻抗控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明力传感器解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法，具有结构简单的特点，不需要更改机械结构即可实现刚度和阻尼的变化，并且可以实现任意刚度和阻尼的控制，可以不需要建立准确的末端执行器的动力学模型，直接从力传感器即可测得末端执行器的机械阻抗并解耦其机械阻抗，通过对阻抗控制器的设置可以直接的设置出所需末端执行器的阻抗，从而实现对末端执行器的变阻抗控制。

附图说明

图1为本发明的力传感器解耦的末端执行器机构；

图2为本发明的控制架构示意图；

图3为本发明的力传感器解耦的末端执行器变阻抗控制方法的流程示意图；

图4为本发明末端执行器机构及其可变阻抗方法末端执行器机构频域动态响应及其动态特性的拟合；

图5为本发明末端执行器机构及其可变阻抗方法在虚拟刚度10000N/m、虚拟阻尼100N*S/m下的末端执行器机构频域动态响应及其理论频域动态响应；

附图标记说明：100-固定端；101-直线型电机；102-移动端；1-力传感器；2-固定平台；3-直线型电机定子；4-连杆；5-直线型电机动子；6-直线编码器；7-滑块；8-移动平台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

一种力传感器解耦的末端执行器机构，如图1所示，包括直线型电机101、固定端100、移动端102和直线编码器6；

直线型电机101，为末端执行器提供直线方向的动力来源，实现末端执行器的运动，其包括直线型电机定子3和直线型电机动子5；

固定端100设有固定平台2、多个连杆4、力传感器1和所述直线型电机定子3；

移动端102设置有移动平台8、多个滑块7和所述直线型电机动子5；

直线编码器6通过螺钉安装于连杆4，且朝向所述直线型电机动子5，用于测得固定端100和移动端102之间的相对位移；

固定平台2，设于末端执行器固定端100，其一侧使用螺钉连接于所述直线型电机定子3，另一侧使用螺钉连接于所述力传感器1；

移动平台8，为末端执行器运动端，实现末端执行器机构的运动；

连杆4，通过螺钉安装多个悬挂于固定平台2，且内侧具有导轨；

滑块7，通过螺钉安装于移动平台，与连杆4内侧导轨实现末端执行器运动的导向作用及限制末端执行器的行程；

力传感器1，可为应变式力传感器和压电式力传感器等，力方向为末端执行器运动方向单自由度，其通过螺钉安装于所述固定平台2固定侧，力传感器1另一端连接于工业机器人。

进一步地，力传感器1解耦的末端执行器机构，解耦方式由力传感器1测得并计算力传感器1解耦的末端执行器的机械阻抗和非线性力，从而改变直线型电机101的输入实现对力传感器1解耦的末端执行器的机械阻抗解耦。

末端执行器的机械阻抗包括有末端执行器的机械刚度以及末端执行器的机械阻尼。

力传感器1解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制方法，整个控制架构如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、构建末端执行器的物理模型，从而确定末端执行器的机械阻抗；

步骤2、使用力传感器1直接测量并计算末端执行器的机械阻抗、非线性力；

步骤3、基于步骤2所测量计算的末端执行器的机械阻抗、非线性力进行补偿，得到解耦后的末端执行器；

步骤4、基于步骤3解耦后的末端执行器，增添阻抗控制器，实现力传感器解耦的末端执行器机构的可变阻抗控制。

构建末端执行器的物理模型，以及机械阻抗具体为：

末端执行器物理模型为二阶系统，其模型动力学方程为：

其中，K

机械阻抗采用刚度和位移的乘积、阻尼与速度的乘积、质量与加速度的乘积来表示，根据上述末端执行器动力学方程，可以得到末端执行器的机械阻抗为：

其中，Z

使用力传感器1直接测量并计算末端执行器的机械阻抗、非线性力，具体方式为：

根据相互作用力，末端执行器固定端100的受力有机械阻抗、直线型电机101输出力以及非线性力，具体表达式如下：

F

其中，F

根据末端执行器固定端100所受力，安装力传感器1于末端执行器固定端100；力传感器1一端安装于末端执行器固定端100，另一端安装于工业机器人，且力传感器1所测得的力、机械阻抗和非线性力是由上一时刻直线型电机101的输出力所导致末端执行器运动而变化后的力，故力传感器所测得的力表达式为：

F

式中F

将力传感器1测量的末端执行器的机械阻抗、非线性力进行补偿，实现对末端执行器机械阻抗和非线性力的解耦，具体实施方式为：

将末端执行器的直线型电机101通过驱动器置于电流环；

根据直线型电机101的力常数以及直线型电机101电流环的输入电流，末端执行器直线型电机101当前时刻输出力可以得到：

F＝i

式中i

根据式(V)、(VI)可以求得当前时刻机械阻抗以及非线性力可以得到：

Z

式中i

根据上式(VII)，将所述末端执行器的机械阻抗及非线性力通过直线型电机101力常数转换为对应的电流：

式中i

将当前时刻末端执行器机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流i

式中i

此时直线型电机101电流环输入的电流包括控制器输出电流、机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流，因此实现对末端执行器机械阻抗及非线性力的解耦。

增添阻抗控制器，实现基于力传感器1测量补偿的末端执行器可变阻抗控制，具体方式为：

根据刚度与位移相关，阻尼与速度相关，故阻抗控制器的输出阻抗为：

式中Z

则阻抗控制器输出的电流为：

式中i

将阻抗控制器的输出电流加到直线型电机101电流环的输入中，那么此时实际输入给直线型电机101电流环的电流为：

i

式中i

此时直线型电机101电流环的输入电流包括有整个控制回路的期望电流、末端执行器的机械阻抗及非线性力之和所转换的解耦电流以及阻抗控制器的输出电流。

为说明本发明的有益之处，由于控制的是末端执行器机构的刚度和阻尼，且末端执行器为弹簧-质量-阻尼二阶系统，故此实例将力传感器1解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法通过频域分析实验对本发明进行实验验证，如图4和图5所示。实验中的电流通过直线型电机101输入到控制系统中，输出为编码器测得的相对位置。依据图4，对机械的末端执行器机构进行参数辨识，频域拟合得到其动态响应，得到其传递函数；根据机械系统传递函数再更改阻抗控制器参数推导使用本发明方法的理论传递函数，再次进行参数辨识，从图5中可以看出力传感器1解耦的末端执行器机构及其可变阻抗控制方法实现了对末端执行器的刚度和阻尼的改变，并且能够得到其较为准确的理论的频域动态响应。