張 健，劉 韋，宋 麗

（煙臺科技學(xué)院，蓬萊 265600）

0 引言

工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)都起到了重要作用，如焊接、組裝、裝載、分揀、裝配等。其中，裝配環(huán)節(jié)應(yīng)用最多。插孔是裝配環(huán)節(jié)中最常見的一種作業(yè)。插孔，顧名思義，就是突出的一端插入凹陷的一端，讓二者裝配到一起，實現(xiàn)二者的有效結(jié)合。工業(yè)機器人不像人一樣具有很強的適應(yīng)性和靈活性，其插孔作業(yè)過程難以避免地會出現(xiàn)誤差，不僅會使得插頭不能一次且準確地插到插板上，導(dǎo)致插孔作業(yè)完全失敗，還有可能由于機器人同工作環(huán)境之間產(chǎn)生的接觸力過大損壞裝配件及周邊設(shè)備，浪費資源，還有可能給機器人本身末端造成一定的損傷，提高維修成本[1]。面對這種情況，工業(yè)機器人具有柔順性至關(guān)重要。柔順性是指工業(yè)機器人根據(jù)周圍環(huán)境的變化隨時調(diào)節(jié)自身工作參數(shù)的能力。工業(yè)機器人的柔順控制，目前主要有兩種：其一是被動柔順控制，這種控制方式的原理是通過安裝一些簡單的柔性機構(gòu)，如彈簧，來緩解機器人與工作環(huán)境之間的錯誤接觸的剛度，減緩破壞力[2]。這種控制方式易于實現(xiàn)，成本低，但是安裝的柔性機構(gòu)專一性強，會受到工作環(huán)境的約束，另外由于是在工業(yè)機器人上另加柔性機構(gòu)，對機器人控制造成極大的困難。基于此，第二種控制方法出現(xiàn)，即主動柔順控制，原理是利用力的反饋信息實現(xiàn)工業(yè)機器人的自動化控制。這種控制方法彌補了被動柔順控制存在的缺陷，但是普遍忽略了力傳感器在工作時，對作用力的測量誤差，導(dǎo)致機器人的柔順控制與預(yù)期存在一定的差距?；谏鲜霰尘埃岢鲆环N基于重力補償?shù)牟蹇卓刂品椒?。通過該研究以期提高工業(yè)機器人的控制精度，提高插孔作業(yè)成功率。

1 機器人主動柔順插孔控制方法研究

人工智能的發(fā)展促進了各行各業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，工業(yè)是我國重要的第二產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了巨大的貢獻。人工智能為工業(yè)帶來了新的生產(chǎn)手段，即工業(yè)機器人。工業(yè)機器人能夠模擬人類生產(chǎn)行為，實現(xiàn)自動化制造生產(chǎn)。插孔是工業(yè)機器人在裝配環(huán)節(jié)最常見的作業(yè)，作業(yè)內(nèi)容是將插頭一端準確插到插板。這一過程要求機器人對位置和力都需要有一個準確的把控[3]?；诖?，進行有效的控制研究具有重要的現(xiàn)實意義。該控制方法主要分為三個部分，即位置信息采集，傳感器采集作用力信息與重力補償、主動柔順控制器設(shè)計。下面針對這三個部分進行具體分析。

1.1 機器人位置信息采集

機器人位置獲取是實現(xiàn)控制的前提和基礎(chǔ)，因為位置偏差是導(dǎo)致作用力產(chǎn)生的直接原因。為此，本章節(jié)進行機器人位置信息采集研究。在這里需要用到激光掃描儀，基于激光掃描儀的機器人位置信息采集基本流程如下：首先激光掃描儀放置在一個固定不可移動的測量位置上，向著機器人發(fā)送激光束，當(dāng)激光束到達機器人表面，會反射回掃描儀內(nèi)的傳感器中，由這種發(fā)射到返回的時間差計算激光掃描儀與機器人之間的距離。計算公式如下：

式(1)中，d代表激光掃描儀與機器人之間的距離；v代表激光傳播速度；Δt代表時間差。

以激光掃描儀為中心建立三維坐標(biāo)系，通過下述公式將距離d轉(zhuǎn)換為三維點云數(shù)據(jù)，獲取在激光掃描儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)其中，

式(2)中，X、Y、Z代表機器人在激光掃描儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；θ、?代表激光掃描儀的縱向掃描角度和橫向掃描角度。

接下來將機器人在激光掃描儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(X、Y、Z)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換到機器人自身的基坐標(biāo)系中，即可完成機器人位置信息采集。轉(zhuǎn)換公式如下：

基于采集到的機器人位置信息，為后續(xù)章節(jié)1.3研究奠定了基礎(chǔ)。

1.2 力傳感器采集作用力信息與重力補償

機器人與工作環(huán)境之間的接觸時產(chǎn)生一定的作用力。這個力對于機器人控制至關(guān)重要。為此，本章節(jié)利用力傳感器采集作用力信息，包括三維正交力和三維正交力矩[4]。力傳感器是一種將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅脑O(shè)備，其類型多樣，在這里選擇六維力傳感器來完成本章節(jié)工作，具體采集過程如下：

六維力傳感器具體采集過程如下：

步驟1：利用砝碼加載的標(biāo)定方法進行六維力傳感器標(biāo)定；

步驟2：六維力傳感器的校準，獲得信號與力的對應(yīng)關(guān)系；

步驟3：設(shè)置六維力傳感器工作參數(shù)以及采集頻率參數(shù)；

步驟4：六維力傳感器是否接收到采集指令？若正常接收到指令，六維力傳感器啟動；否則，需要對六維力傳感器進行故障檢測；

步驟5：六維力傳感器按照采集頻率采集作用力電信號；

步驟6：是否到達定時中斷時間？若到，完成采集；否則，回到步驟5，繼續(xù)采集；

步驟7：對采集到的作用力信號進行預(yù)處理；

步驟8：發(fā)送數(shù)據(jù)；

步驟9：是否關(guān)閉六維力傳感器？關(guān)閉，完成作用力信息采集工作；否則，回到步驟5。

受到力傳感器的自身設(shè)計及末端連接工具重力的影響，力傳感器采集到的作用力信息并不是真實的，存在一定的誤差。若是直接將力傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于后續(xù)機器人主動柔順插孔控制當(dāng)中，必然影響控制精度。針對上述問題，需要進行重力補償，以提高力傳感器的測量精度。

重力補償主要分為4部分，即重力計算、安裝傾角計算、重心坐標(biāo)計算以及重力補償實現(xiàn)。下面針對這三部分進行具體分析。

1）重力計算

重力計算主要是指計算機器人末端夾持工具的重力值。計算公式如下：

式(4)中，P代表機器人末端夾持工具的重力值；βx、βy、βz代表工具在機器人基坐標(biāo)系三個方向上產(chǎn)生的分力。

2）安裝傾角計算

安裝傾角計算主要是指計算工業(yè)機器人底座的安裝角度(θ,?)。計算公式如下：

3）重心坐標(biāo)計算

重心坐標(biāo)計算是指計算力傳感器末端工具在機器人基坐標(biāo)系中的重心坐標(biāo)(Gx，Gy，Gz)。重心坐標(biāo)(Gx，Gy，Gz)通過求解下述方程組獲得。

4）重力補償實現(xiàn)

重力補償實現(xiàn)是指通過計算重力補償值，然后與測得的力傳感器測量值相減，得出補償后的力傳感器測量值。重力補償值計算過程如下：

步驟1：基于求得的重心坐標(biāo)、安裝傾角、重力值等計算工具重力P在力傳感器坐標(biāo)系上的力分量(Kx、Ky、Kz)以及力矩分量(Qx、Qy、Qz)。

利用六維力傳感器測量得到三維正交力減去步驟3得到的補償力，三維正交力矩減去步驟4得到的補償力矩，即為補償后的更接近實際情況的作用力信息。

1.3 主動柔順控制器設(shè)計

基于激光掃描儀采集得到的機器人位置信息以及經(jīng)過重力補償后力傳感器采集到的作用力信息，本章節(jié)設(shè)計一種主動柔順控制器。

目前機器人主動柔順控制方式有多種，即阻抗控制、力/位混合控制、自適應(yīng)控制以及智能控制等[5]。在本章節(jié)研究中選擇阻抗控制方式來設(shè)計主動柔順控制器，如圖1所示。

圖1 主動柔順控制器組成框圖

該控制器控制過程如下：

步驟1：采集機器人的實際位置信息，見1.2節(jié)

步驟2：計算機器人的實際位置與預(yù)期位置差值；

步驟3：通過阻抗控制器將位置差值轉(zhuǎn)化為機器人末端與環(huán)境間的期望接觸力；

步驟4：利用六維力傳感器測量得到機器人與工作環(huán)境之間的接觸時產(chǎn)生的作用力，見1.2節(jié)；

步驟5：采用PID控制關(guān)節(jié)力矩使步驟4采集到的作用力跟隨步驟3計算出來的期望接觸力，以調(diào)節(jié)機器人力的輸出精準度。

基于上述三個環(huán)節(jié)的研究，即完成基于力傳感器重力補償?shù)臋C器人主動柔順插孔控制方法設(shè)計。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境搭建

以一個六自由度的機械臂、插孔工件、一個計算機、一個操作臺等搭建測試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 測試環(huán)境示意圖

2.2 激光掃描儀采集信息

所選擇的激光掃描儀為TrackScan-P跟蹤式激光掃描儀。該掃描儀具有超大廣角視野，使其能夠快速準確地完成掃描，具有720mm掃描景深，更好的操作自由度。采集到的機器人位置信息如圖3所示。

圖3 機器人三維坐標(biāo)位置信息

2.3 重力補償結(jié)果

所選擇的力傳感器為JUL-3715六維力傳感器。該傳感器動態(tài)響應(yīng)頻率高，綜合精度高，長期穩(wěn)定性好。該傳感器工作參數(shù)如表1所示。

表1 JUL-3715六維力傳感器工作參數(shù)

利用JUL-3715六維力傳感器采集作用力信息，并進行重力補償。補償前后連續(xù)的結(jié)果如下表2所示，結(jié)果以前3個時刻為例。

表2 重力補償前后用力信息

2.4 主動柔順控制輸出結(jié)果

利用1.3節(jié)設(shè)計的主動柔順控制器控制圖2中機器人進行插孔作業(yè)，然后統(tǒng)計插孔作業(yè)過程中力隨時間的變化情況，然后計算與預(yù)期值之間的差值，最后得出力偏差情況，并與重力補償前的控制結(jié)果進行對比，如圖4所示。

圖4 力偏差情況示意圖

從圖4中可以看出，在經(jīng)過力傳感器重力補償后，機器人的輸出力偏差和位置偏差都要小于力傳感器重力補償前，說明所研究的方法的機器人主動柔順插孔控制精度更高，達到了研究目標(biāo)。

3 結(jié)語

綜上所述，近年來工業(yè)機器人改善了工業(yè)生產(chǎn)中存在的困境。然而，工業(yè)機器人在一些精細化領(lǐng)域性能還稍顯步驟。插孔裝配是工業(yè)機器人常見的應(yīng)用環(huán)節(jié)，但是其插孔裝配的質(zhì)量并不高，其主要原因在于對位置的精確定位以及對輸出力的把控。針對上述問題，研究一種新的主動柔順插孔控制方法。該方法主要是通過重力補償以降低力傳感器采集數(shù)據(jù)過程中存在的誤差，從而提高后續(xù)插孔控制下輸出控制數(shù)值的精確度。經(jīng)過測試與分析，證明了所研究方法的控制準確性，偏差較重力補償前有了很大的改善。然而，本研究仍然存在值得深入研究和未解決的問題，即本研究僅適用機器人插孔作業(yè)，其他類型的裝配作業(yè)并不適用。