（机械制造及其自动化专业论文）机器人自动装配过程中的柔顺控制研究.pdf

摘要 论文题目：机器人自动装配过程中的柔顺控制研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：丰晔 指导教师：李德信副教授 摘要 吣0 2 4 0 签名：圭唑 签名：塑童：盛 在机器人执行精密精确的装配作业中，柔顺装配技术被广泛的用于解决装配过程中机 器入与它周围装配件之间存在的问题，因此，机器人柔顺装配技术成为一门热点研究课题。 本课题在参阅了大量相关文献的基础上，针对装配作业中一些典型轴类零件装配的相关问 题进行了研究，试图找出一种较好的柔顺控制策略、得到满足装配的约束条件或者影响装 配的因素。 首先，介绍了在柔顺装配方面的研究背景、国内外研究状况以及控制策略方面的研究 状况，确定出在装配过程中采取主动柔顺控制方式，并对于目前所提出的四种控制策略： 阻抗控制、力位混合控制、自适应控制以及自动控制策略进行概括，比较它们的优缺点， 最终结果：选取力位混合控制策略为本课题研究所主要采取的控制策略。 其次，针对机器人被用来实现柔顺装配作业的控制方法、原理进行了分析，主要是分 析了力位混合控制的工作原理，并列举实例来说明该策略在实际生产生活中的可用性。 再次，通过对柔顺坐标系的建立和给定轴孔装配的力学模型，对机器人在装配控制过 程中的受力情况进行分段分析总结，分析它在通过倒角阶段、一点接触阶段和两点接触阶 段的受力情况，将最终的受力用装配力曲线图表示出来，通过对装配力曲线的分析，得出 柔顺装配过程中，两点接触阶段最为关键，最容易出现装配不能顺利进行下去的情况。 进而，讨论、分析在机器人作业中可能会出现的不柔顺特征：对卡阻和楔紧这两种不 柔顺特征下的装配进行受力分析，得出影响装配作业的不柔顺特征出现的原因、避免这些 状况发生所应满足的约束条件。 最后，应用m a t l a b 软件实现了各参数对装配力影响的仿真分析，包括初始侧向偏移 误差、侧向刚度、初始角度偏差、角偏转刚度等对装配力在各个阶段的影响，总结仿真结 论，得出影响装配的关键参数是初始侧向偏移偏差和侧向刚度，这些参数的分析对装配作 业过程的分析更为方便，并且对装配作业有指导意义。 关键词：轴孔装配，柔顺装配，装配力，卡阻，楔紧，仿真 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r o b o ti nt h ep r o c e s so fa u t o m a i t i ca s s e m b l i n ga n d c o n t r o lr e s e a r c h m a j o r ：m a c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：y ef e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d e x i nl i ab s t r a c t s i g a t u 陀：逢出 s i g n a t u r e ：垒幺：基竖 i nt h ee x e c u t i o no ft h ep r e c i s i o na c c u r a t er o b o ta s s e m b l yw o r k ，c o m p l i a n ta s s e m b l y t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e dt r yt os o l v et h ep r o b l e m sb e t w e e nar o b o ta n do t h e r e q u i p m e n tp a r t s i n s s e m b l yp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h er o b o tc o m p l i a n ta s s e m b l yt e c h n o l o g y b e c o m eah o tr e s e a r c hs u b j e c t , o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n ga b u n d a n tl i t e r a t u r e ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e dr e l a t e dp r o b l e m si ns o m et y p i c a la x i a lp a r t sa s s e m b l y t r y i n gt of i n dab e t t e rc o n t r o l m e t h o d s ，m e e tt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fa s s e m b l yo ri m p a c tf a c t o r so fa s s e m b l y f i r s t ，i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u sa n d c o n t r o ls t r a t e g yi nc o m p l i a n ta s s e m b l y , t a k et h ei n i t i a t i v ea n dc o n t r o lm e t h o di na s s e m b l y p r o c e s s f o rt h ep r e s e n tf o u rc o n t r o ls t r a t e g i e s ：i m p e d a n c ec o n t r o ls t r a t e g y , f o r c e p o s i t i o n h y b r i dc o n t r o ls t r a t e g y ，a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g ya n di n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，s u m m a r i z e t h e p r e s e n t f o u rc o n t r o l s t r a t e g i e s ，c o m p a r e t h e i r a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s ，f i n a l r e s u l t s ：s e l e c tf o r c e p o s i t i o nh y b r i dc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h i st o p i cr e s e a r c h s e c o n d l y , t h ec o n t r o lm e t h o da n dp r i n c i p l eo ft h er o b o t sh a sb e e na n a l y z e df o rr e a l i z e a s s e m b l yw o r k ，w em a i n l ya n a l y z et h ew o r kp r i n c i p l eo fah y b r i df o r c e p o s i t i o nh y b r i dc o n t r o l a n ds o m ee x a m p l e st oi l l u s t r a t et h eu s a b i l i t yi nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h es t r a t e g y t h i r d l y , e s t a b l i s h m e n tt h ec o m p l i a n ts y s t e m ，t h r o u g he s t a b l i s ht h em e c h a n i c a lm o d e lo f s h a f t - h o l ea s s e m b l y , s e g m e n ts u m m a t ya n da n a l y s i so fr o b o t sf o r c es t a t ei nt h ea s s e m b l y p r o c e s s ，g e n e r a t es t r e n g t h c u l v eo fa s s e m b l y , t h r o u g ha n a l y s et h ec u r v e j u d g et h ek e ys t a g ei st h e t w o - p o i n tc o n t a c ts t a g ei nt h ep r o g r e s so fa s s e m b l y , t h a ti s m o s tl i k e l yt oh a p p e na s s e m b l y i m c o m p a t i b l e a n dt h e n , w eh a v ed i s c u s s e da n da n a l y z e ds o m ei m c o m p a t i b l ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s j a m m e da n dw e d g e c a u l k i n gw h i c hm a ya r i s ew h e nt h er o b o ti si naa s s e m b l yp r o c e s s ，w h a t s m o r e ，w eh a v ea n a l y z e dt h ef o r c eo fa s s e m b l yu n d e rt h et w oc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n c l u d e dt h e i 西安理工大学硕士学位论文 r e a s o nw h yi tc o m e st ot h ei m c o m p a t i b l ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n st h a tw h i c h i n f l u e n c ea s s e m b l yw o r k ，a n dt h a tw h i c hs h o u l db es a t i s f i e dt oa v o i dt h e s ei m c o m p a t i b l es t a t u s f i n a l l y , b a s e do nt h em a t l a b ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r st ot h ea s s e m b l yf o r c ei si m p l e m e n t e d ，i n c l u d et h ei n i t i a ll a t e r a le x c u r s i o ne r r o r , t h el a t e r a ls t i f f n e s s ， 城t i a la n g l ed e v i a t i o n ，a n g l ed e f l e c t i o ns t i f f n e s s ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h e s ei nt h e a s s e m b l yo ft h ev a r i o u ss t a g e s ，t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e das i m u l a t i o nc o n c l u s i o n ：t h ek e y p a r a m e t e r s t h a ta f f e c t a s s e m b l i n gi s t h ei n i t i a ll a t e r a le x c u r s i o ne r r o ra n dt h el a t e r a l s t i f f n e s s t h ea n a l y s i so ft h e s ep a r a m e t e r si sb e n e f i c i a lt ot h ea n a l y s i so f a s s e m b l yw o r k ，a n di s o fg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h ea s s e m b l yw o r k k e y w o r d s ：s h a f t a s s e m b l y w i t h h o l e s ；c o m p l i a n ta s s e m b l y ；a s s e m b l yf o r c e ；j a m ；w e d g e t i g h t ；s i m u l a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 1 1 柔顺控制的概念及研究意义 当机器人的工作状态是在特定的接触环境下时，它在任意作用力下可以产生柔性的高 要求，并且在自由空间操作时，自动装配机器人能够产生对位置伺服刚度与机械结构刚度 的高要求，这两种高要求之间的矛盾是机器人研究的矛盾之一。机器人能够对接触环境产 生顺从能力，称为柔顺性( c o m p l i a n c e ) 。为了解决这个矛盾，目前，国内、外机器人方 面的研究专家进行了很多有关柔顺控制的研究。 一般情况下，主动与被动柔顺性是柔顺性所包含的两个方面。灵活的机器人都要凭借 额外的柔顺机构，使其自然地服从，这就是所谓的被动柔顺性，而机器人利用能够获取反 馈力信息的装置来获取信息，进而采取一种特定的算法来主动地操纵作用力的大小，称为 主动柔顺性i z i 。 1 1 1 被动柔顺机构 所谓具有被动柔顺性的机构，就是当机器人在与环境相互作用的时候，将产生的一些 能够吸收或者储存部分能量的机械器件作为机器人的主要机构组成部件，例如减震器、弹 簧等机构组成。典型的被动柔顺装置r c c ( r e m o t ec o m p l i a n c ec e n t e r ) 是由m i t dr a p e r 实 验室设计出来的，r c c 是一个由6 只弹簧构成的能够顺从空间的6 个自由度变化的柔顺 性手腕，轻便灵巧。目前已经有用r c c 进行机器人装配的前例，该装置的优点在于，当 它用于机器人的装配作业的时候，能够对任意一个柔顺中心产生顺从运动，该r c c 装置 的手爪机构的动作能够顺应工作环境的变化，而且通常不需要太过复杂的控制系统n 1 。 被动柔顺操作机器人存在一些非常明显的问题：( 1 ) 若采用被动柔顺机构，没有办法 从根本上排除机器人的高刚度与高柔顺之间的矛盾；( 2 ) 被动柔顺操作机器人设备的用处 非常特定，它的使用范围是非常有限的；( 3 ) 被动柔顺操作机器人中，当机器人与被动柔 顺机构配合的时候，控制本身并不具备相应的处理能力，这给机器人的控制带来了极大不 便，特别是在有必要控制力的大小的时候，以及在必须严格控制定位精度的场合，被动柔 顺机器人的不足便更加突出；( 4 ) 被动柔顺操作机器人结构中，机器人本身没有响应行动 的力量，成功率低。 以上存在的问题是被动柔顺机器人的缺点。为了克服被动柔顺控制中问题，主动柔顺 控制作为柔顺控制的另一类问题被提了出来，它已经成为当今国内外机器人研究的一个核 心方向。 1 1 2 主动柔顺控制 西安理工大学硕士学位论文 对力的大小以及位置姿态的控制是主动柔顺控制研究的核心问题。随着机器人越来越 频繁地被应用在生产、生活的各个领域，能够感知接触力和控制力的大小是机器人所必须 具备的能力，在精密、精确的机器人装配作业中，如修刮或者对工件表面进行修复、抛光 和擦洗等操作，要求保持机器人的末端执行器与环境接触，执行任务的机器人，必须具备 在力反馈基础上的柔顺控制能力1 4 1 。自从第一个机器人推广以来，研制出具有柔顺性、灵 活性、易于使用的机器人是几代机器人研究者们一直努力实现的目标。主动柔顺控制也就 无可厚非地成为了一个研究热点。机器人研究方面的专家围绕着控制策略、控制系统和控 制程序等一系列问题，进行了相当有效的研究。对主动柔顺控制的最早研究，首先要追溯 n 2 0 世纪中叶，是g o e r t z 针对那些具有放射性的实验车间的恶劣环境，将力反馈机构安 装在电液式机器人的手臂上，这样实验操控者在操作的时候，就能够明显地感知到操作机 构和它周边环境接触时的作用力大小，究其本质，也就是遥感作用力。在2 0 世纪6 0 年代， 又一位机器人方面的研究专家m a n n 主持研制了具有力反馈功能的人造肘。它依靠两种信 号联合“肌肉”的电极信号和关节应变机构信号来驱动电机，从而促使电流发挥“肌 肉的功效，虽然有了一定的功效，但是由于对照组，实时差分控制等约束条件的限制， 导致整个系统的稳定性存在着极大的局限性。自1 9 7 0 年以来，计算机，机器人，传感器和 控制系统的快速发展，机器人的力控制技术已经从根本上改变，并发展成机器人研究领域 的一个主要研究方向，那就是机器人的主动柔顺性控制。它是一个新兴的自动机器人制造 的关键技术，恰恰由于它是- - i - j 新兴技术，所以也成为了柔性装配自动化的困难和“瓶颈 ， 而之所以称其为新兴技术，是因为它充分地运用了传感器，计算机，机械，电子，机械和 自动控制技术，并把它们结合起来，集合众多学科于一身，因此致使主动柔顺技术的理论 研究和技术研究都面临着很多急需解决的难题。主动柔顺控制技术不仅在理论上具有非常 重要的意义，而且在技术上有望达到表面跟踪技术，符合运动控制的牵引规律，以及实现 精密装配。机器入主动柔顺控制，弱化了被动柔顺控制的缺点，因此，良好的研究成果和 十分广阔的应用前景将会是机器人主动柔顺控制的必然走向“1 。 1 2 柔顺装配技术的国内外发展概况 随着生产技术的进步，机器人在生产自动化方面的地位越来越突出。目前，工业机器 人已经被大规模地使用，实现了工厂的自动化，而工业机器人绝大多数都是依靠预先设置 好的程序来执行工作的，仅可以完成有限的位置控制，比如绘画、焊接、喷漆和其他高精 密的定位任务。可是对于机器人的装配工作，如工件表面的磨削，销轴插入孔放置过程中 所发生的偏心、偏角等情况，以及抓住柔软的物体等需要机器人和环境接触的情况，就会 出现非常多的问题。或者是因为接触时产生的应力过大，工件被损坏，或者是因为力不够 大而不能作业，从而导致装配任务不能正常进行下去，甚至会完全失败。而这些问题出现 的原因在于，机器人无法像人类一样具有感知能力，并且缺乏灵活性。如果要机器人主动 2 1 绪论 纠正这些问题，就应该让机器人的行动去响应多变的外界因素且作出对应的调整，若只是 采用基于位置控制的机器人来解决这些问题，想要完成工作无疑是有难度的。所以必须控 制机器人根据外部环境的变化去作出相应的调整5 1 。 用来执行精密、精确装配工作的机器人，也有许多不确定的因素和突发事件，这些不 确定的因素和突发事件可能会导致装配作业在装配过程中经常发生故障。在传统的位置控 制时，如果执行装配作业的机器人与被装配的工件之间存在非常微小的差异，也会发展成 为不能成功地完成安装工作，损坏配件及外部设备，甚至造成安装彻底失败等，所以机器 人的柔顺装配技术在自动化装配领域一直是一个热门研究课题“1 。 装配作业的过程非常的复杂，装配任务在整个生产过程中占据很大一部分的劳动力， 在制造业，百分之三十的劳动力用于组装，自动化装配在制造业中的装配工作大约占总消 费成本的百分之五十到百分之七十，因此零件的自动化装配的实现具有十分重要的现实意 义。机器人用于执行装配操作的关键因素是自动化柔性制造系统，而用于工件之间的配合 的装配机器人却是自动柔性装配系统的关键设备。装配工程比机械加工过程更为复杂，由 于自动化装配起步比较晚，开始时进展稍微缓慢，因此这就严重地影响了自动化生产的效 率和质量的提高，目前已经成为约束现代制造业发展的瓶颈。自动化装配的发展是从2 0 世纪6 0 年代的专用自动组装机发展到同世纪7 0 年代的自动化组装线，再一直到上世纪8 0 年代用于自动化生产装配的工业机器人，以及9 0 年代以来，排在最新、最前沿的自动装配， 但是在很大程度上都局限于一种专门的，可编程性的以及自动传输等方面，而机器人如何 去实现快速、准确、灵活，甚至自动装配还一直是未能完全解决的问题7 1 。 自动化装配过程的实现需要在零件的抓取、零件的处理、零件的定位和零件的互配等 方面实现自动化生产、装配，然而要实现以上的自动化装配的每一个自动化过程又都必须 在特定的环境条件才有可能1 7 1 。例如，零件的获取部分和零件的处理部分，这两部分在 很大程度上都要受到处理装置的定位精度和被定位零件的初始位置的一致性条件的约束； 零件在它所需的装配位置上的放置和零件之间的互配过程一方面受到定位装置的约束，另 一方面还与零件之间的间隙和零件的几何形状以及要求装配系统频繁地更换模型的零件 有密切联系，这两个方面对于装配系统的性能要求非常苛刻，因此，这种类型的装配系统 必须具备适应一切环境变化的能力，还要具备灵活的自动装配特性和功能n 1 。 柔顺装配技术被广泛地用来优化机器人的手臂、机器人的手腕和机器人从事生产的专 用夹具，从而使得装配机器人具有一定的柔顺性，能保证机器人在执行精密精确装配作业 的时候，柔顺地完成任务9 1 。在2 0 世纪8 0 年代，首先提出柔顺装配技术的m a k i n o 1 1 1 。他 设计出了最早的具有柔顺特性的柔顺机器臂s c 肌( s e l e c t i v ec o m p l i a n c ea s s e m b l y r o b o t a r m ) ，这个具有柔顺性能的柔顺手臂有两个方向的自由度，分别是在水平方向的自 由度和在垂直方向的自由度，这两个方向的自由度的存在使得这个柔顺机械臂可以完成向 上和向下两个垂直方向的组装工作 1 0 l 。但也有不足之处，就是需要进行球形组装时，这 个s c a r a 柔顺机械臂要花费很多时间来调整，并且没有考虑到手腕的灵活性和机械设备 3 西安理工大学硕士学位论文 的灵活性。而w h i t n e y1 1 2 1 , 1 3 1 等人为了解决机械臂垂直方向上的自由度i 口- j 题，研制出了 r c c ( r e m o t ec o m p l i a n c ec e n t e r ) 被动柔性手腕，这种手臂是被安装在机器人的末端执 行器和所要安装的工件之间的，它一般用于组装圆形的轴孔类装配作业中。r c c 是一种 由六个自由度的弹簧机构组成的系统，它是利用被动柔性手腕控制实现其功能的，通过调 整弹簧的弹性和角度，从而可以获得适合装配条件的软指标，进而消除了装配作业中大部 分的刚度误差。s t u r g e s 【l 钉等人通过联系正交柔顺的概念，提出了空间柔性手腕s r c c ( s p a c er e m o t ec o m p l i a n c ec e n t e r ) 的设计思想，这个空间柔性手腕的设计的方法是在 w h i t n e y 等人研制出的r c c ( r e m o t ec o m p l i a n c ec e n t e r ) 被动柔性手腕的基础上，将原 有的r c c 六自由度弹簧机构同一个螺旋状杆系并联起来，从而去调整影响柔顺装配中出 现的方位和角度等误差。当所需要装配的装配件之间存在着运动误差的时候，为了避免在 装配过程中，卡阻和楔紧现象的发生，空间柔性手腕s r c c 的螺旋杆系就会在产生运动 误差的时候产生适当的位置移动，使得工件移动到安装的最佳状态位置，从而给装配带来 了很多方便。而a s a d an 5 1 等人通过对机械手专用夹具的柔顺性进行了深入研究后发现， 可以根据装配作业的特定条件来设计合适的专用夹具实现柔顺装配。s h i m o g a n 6 1 在a s a d a 等人的基础上，对机器人机械手爪的柔性夹具进行了改造，将多手指夹具运用于柔性机器 夹具中，开创了柔性多指夹具的研究方向。2 0 0 0 年，y a z d i z a d e h n 7 1 等人通过对一个由两 个伺服电动机为动力的、可以在水平和垂直两个平面内自由运动的单柔性臂装配系统进行 了研究，并提出了新的理论柔顺控制策略一极点配置算法 1 8 1 。李小平，唐建中m 1 通过研 究提出了一种机器人柔性臂的振动控制方法，这种机器人柔性臂的振动控制方法的核心原 理是通过模糊控制来适当地减少柔性机械臂在装配作业中的振荡或者不稳定因素，进而提 高装配作业精准性。它的优点在于对所控制的对象模型不需要非常准确地定位，而且非常 容易实现。与此同时，中国机器人研究专家王晓东、王全玉伽1 等人结合前人的研究成果 总结研究出了一种具有机器人柔性的腕力传感器和检测这种传感器感应力的系统，这个柔 性腕力传感器装置是采用非接触式的光电检测系统对装配件在装配过程中的位置和姿态 的变换进行检测。这种机器人柔性腕力传感器及检测这种传感器感应力的检测系统的优点 是，不易受外界环境变化等因素的干扰，直接通过u s b 数据传输到电脑，检测精度比较 高。颜波、张铁n 等经过反复试验研究发明了一种新型的机器人柔顺装配专用的夹具及 与其配套的操控系统。这个设计其实是一个双c m a c 神经网络控制系统，它们分别是由 以装配力为输入信号的小脑c m a c l 合力信号和以浮动平台位移为输入信号的c m a c 2 叠 加构成。c m a c l 是一种前馈控制，c m a c 2 是当机器开始的时候属于前馈控制，当装配开 始时改变为反馈控制双c m a c 神经网络控制。与以前的柔顺装配系统相比较，它的优点 在于系统稳定性高，有效地减少了系统误差，而且所需要的装配力不是很大。 1 3 四种轴孔柔顺装配策略的分析比较 4 1 绪论 如何利用主动柔顺控制策略来解决机器人柔顺控制中力控制系统的设计以及力和位 置控制两者之间的关系是机器人柔顺控制的研究中存在的主要问题，从根本上说也就是控 制策略的选择问题。自动机器人的主动柔顺控制策略可以被分为四大类：自适应控制、阻 抗控制、自动控制及力位置混合控制四大策略弦1 0 1 3 1 阻抗控制策略概述 该策略下的控制不能直接去控制机器人和它周围的环境之间的接触力，但是根据机器 人末端所处的位置( 或者速度) 和机器人的端部所感知的接触力之间的关系，就可以通过 调整机器人末端所处位置( 或者速度) 与机器人的端部所感知的接触力之间的位置误差、 速度误差、或者刚度误差，以达到控制力反馈之间的关系的目的吻1 。而且阻抗控制常用 于有效地消除机器人在执行轴孔装配任务过程中所出现的卡阻等不柔顺现象。 h o g a n “4 1 在2 0 世纪8 0 年代中期，阻抗控制被提出，因此它在环境多变的情况下的作业 控制这一方面得到了广泛地应用。它的中心思想是随着各个参数的改变，机器人在作业控 制过程中的受力、装配件与环境接触的位置之间的关系达到一种期望的状态。它将对力和 位置的分别控制融入到一个总框架内进行判断，但是目前还没有那么多的规划工作量，而 且一般情况下，仅仅需要一个简单易行的位置控制方法，就可以顺利地实现阻抗控制，并 且除此以外，在接触到一些环境中的不确定因素和干扰性比较强的因素时，阻抗控制方法 能够表现出较强的鲁棒性2 钉，这对机器人作业的完成提供了有利条件。 阻抗控制间接地通过设置参考位置来实现力控制，在它控制下的精度取决于操作者是 否能够准确地了解外部环境知识。在实践中，由于各个方面的因素，对周边环境的了解， 往往是非常不准确的，或者是根本无法预知的。这就使得较大力误差在阻抗控制下产生， 所以使得阻抗控制在有高精度要求的装配场合上根本无法运用协l1 2 7 | 。而此控制相比较于 力位置混合控制的缺陷正在于此，如果要改变这种状态，就要将这两种优势整合起来， l a s k y 和h s i a 嚣1 提出了内环与外环结合的方法，这种方法的外环是通过建立力误差的二 次性能指标来获得的，而相比之下机器人的动力学模型的不确定性以及不稳定性在内环控 制下被具有很好鲁棒性的位置控制算法来弥补糟1 。s a l i s b u r y 定义了机器人末端的力和位 置的一个线性函数关系式，通过对刚度矩阵的选择来实现机器人在约束方向所符合的力和 位置之间的函数关系式1 3 0 | 9 但这种方法的不足之处在于它不能保证整个过程的动态稳定 性。c h a n 和y a o 3 等成功地将滑模控制方法引入到了阻抗控制中，其中包含了理想的滑 模阻抗，它的力跟踪精度是建立在对周围环境的准确理解之上的。s e r a j i 和c o l b a u g h 3 习 在这个研究的基础提出了两种力跟踪控制策略，但是相比较之下过多的可变量因素也给系 统的安装调试工作带来了很多麻烦，而且其中有相当一部分变量初值的选择因为无规律可 循而不能保证机械手的初始状态下的稳定性1 3 3 | 。t r a il 翻1 等针对多机器人提出了虚拟阻 抗的概念。它是在机器人所要实现的目标和要实现的目标存在的障碍下定义了一个虚拟阻 5 西安理工大学硕士学位论文 抗，利用虚拟阻抗下所感知的虚拟力的大小实现了对多机器人关节的协调和控制。n a k a b o n 5 1 在a r a il 所提出的虚拟阻抗的基础上提出了视觉阻抗，即将视觉阻抗的反馈信息和阻 抗控制的反馈信息相结合来共同控制机器人的末端阻抗效应 3 6 1以便最终达到完成特定 的任务的目的。t s u j i 3 7 1 等针对冗余度的概念研究了机械手与外部物体间的虚拟阻抗，这 个研究是通过对机器人进行了通过视觉反馈信息来调节的过程实现的。这不仅仅是在机器 人执行器的末端产生视觉阻抗模型，同时也充分利用了冗余机器人自由的运动特征，使机 器人各个关节具有了阻抗特性。当机器人和环境接触时，由于环境的影响造成对机器人关 节的冲击力，导致了机器人的每个关节产生冲击力矩。对于关节阻抗的合理设计，会使得 它在自由运动空间产生相应运动，而这个运动在机器人每个关节所产生的驱动力矩恰恰与 所产生的冲击力矩相反，从而起到了减小冲击的作用汹1 。 1 3 2 力位混合控制策略概述 从m a s o n 、m i l l s 和c r a i g 3 9 1 等人对力位置混合控制策略的研究历程，可以看出力 位置混合控制的提出是一个相当漫长且复杂的过程 4 0 1 0 由于以独立的形式同时对力和位 置分别进行控制是目前自动机器人所想要达到的最好的控制策略，而抛过实际从理论上来 说，基于力控制的自由空间和位置自由空间均是属于两个互补的正交子空间，而且在这两 个互补的正交子空间，力的控制进行在力控制子空间上，而在在余下的正交方向，即位置 自由空间上进行了位置控制“。m a s o n 哪! 于2 0 世纪7 0 年代末期最早提出了力控制和位置 控制同时进行控制的概念和关节柔顺的思想，他的做法的核心思想是根据机器人所接受的 任务的具体要求，运用相互独立的力控制和位置控制来约束机器人各个不同的关节。在这 段时间里，外部约束条件被当作理想化的几何问题处理，然而多变的外部环境使得这种方 法在实践中有很大的局限性。2 0 世纪8 0 年代r a i b e r t 和c r a i g 脚1 在m a s o n 研究的基础上 首次提出了力位混合控制策略，即通过雅克比矩阵算法将装配作业空间内的任意方向的 力和位置均匀分配到各个关节控制器上，也就是控制力的关节控制器属于力控制子空间， 而控制位置的关节控制器属于位置子空间，任务空间里的这两个子空间力控制子空间 和位置控制子空间是正交互补的阳1 ，力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间 中用力控制策略进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略来进行位置控制1 4 4 | 。 但是由于这个控制策略下的整个计算过程非常复杂，具体实施起来也比较困难，因而没有 得到广泛运用。为了解决这一策略的缺陷，z h a n g “5 1 等人提出了把所有操作空间所存在的 位置控制环节用等效的关节位置环代替的改进方法，但是这种方法有一个严格的要求，就 是它的雅克比矩阵的确定和坐标系的计算必须根据建立在非常精确的环境约束方程的条 件下才行，且力控制和位置控制的方向要实时地根据反映任务要求的选择矩阵来决定 4 0 1 。 6 1 绪论 1 3 3 自适应控制策略概述 机器人是一个多自由度的、强耦合的、复杂的多变体，随着时间的推移，机器人内部 系统与所接触的外部环境的变化，其位置姿态也随之变化，另外再加上外部环境存在极大 的未知性畸，有时是不可能来确定的t 4 i 。针对这个特点，许多科学家尝试于研究机器人 的自适应方法。c h u n gj a c kc h ，l e i n i n g e rg a yg 鹕1 直接在多任务坐标系系统中，用 自适应学习进行重力、动态下的摩擦力以及柔顺时的反作用力补偿，以将轴顺利插入孔为 最终目标，进行自适应实验；k u ct a c 叫o n g 4 9 1 等使用自适应学习的混合控制运动方法进 行实验，进行运动控制的自适应尝试，在对逆动力学进行有效的求解过程中，收敛性和抗 干扰能力等方面达到了良好的效果咖l 阮。n i c o l e t t ig m 咖在l y a p u n o v 稳定控制理 论的基础上，针对约束运动，对参考模型参考自适应p i d 控制的稳定条件和判据进行了研 究，并提出了自己独到的见解。李杰，韦庆，常文森仞1 等将阻抗控制系统的闭环方程转 变为力误差控制微分方程，根据模型参考适应控制( m r a c ) 的思想，运用l y a p u n o v 稳定 性的设计思想衍生的稳定条件下的白适应性策略，使阻抗控制中的力跟踪取得了令人满意 的成绩。这样使得计算量大大减少，还可以在线对修正量进行校正计算，并可以把一些未 知的和不确定的因素包括在校正量里，因此，这种类型对补偿不确定性和不准确性有一定 的鲁棒性。 1 3 4 自动控制策略概述 上面提到的三种策略都有自己的优点和缺点，其中大多数，没有用于实践当中，仍处 于理论探索和模拟阶段。其中对于控制的方法具有代表性的研究有：c o n n o ll y 旧1 根据接 收到的力的信息和位置的信息，通过所使用的选择矩阵和人员的限制，进行了自动机器人 的轴插入孔的实验。在细针刺纸实验后不久，他又进行了碰撞试验，并取得了理想的成绩， 但是不足的是，该碰撞试验的系统是简单的，目标导向较强，普遍性方面缺乏；在福田敏 男之后，x uy a n g s h e n g 哪! 等提出了将柔顺控制的两个方面将主动柔顺和被动柔顺相 结合起来的方法，实施插孔实验进行验证。从各国的机器人专家的研究成果来看，自动控 制的研究仍处于起步阶段，如在自动控制的原则尝试方面，所以它仍然存在一定的局限性。 总之，自动控制作为一门新兴的学科，不论是在理论上还是实践上都还不是很成熟。 一方面，人们开发了多种技术来实现自动控制的各种设计方法，另一方面，自动控制过程 中存在的问题，必须要妥善处理并不断改善。目前，人工自动技术和计算机技术在很大程 度上还严重制约着复杂的自动控制系统或大型自动控制技术的发展。另外，由于各种技术 之间的综合利用使得自动控制系统和自动控制器在设计形式呈现出“百花齐放 的局面， 要想在自动控制方面取得更大的突破必须继续大力发展有关理论来评价自动控制系统或 自动控制器。例如，运算过程复杂，精度分析，收敛性和稳定性，优化和分析，最佳控制 方案的选择等。要使自动控制理论能够在在实践中有很大的进展，必须要有相应的技术研 7 西安理工大学硕士学位论文 发，才能满足自动控制的要求n 5 1 。 1 4 本课题研究中控制策略的选择 通过上节论述，比较已有的四种策略阻抗控制策略、力位混合控制策略、自适应控 制策略、自动控制策略的优缺点比较，提取一种有效的控制策略来进行轴孔的柔顺装配。 通过比较发现阻抗控制一般适用于比较简单的位置控制的方法为基础来实现，而且对于一 些外界环境多变的情况，阻抗控制表现出较强的鲁棒性，但是与其优点比较起来，阻抗控 制也存在很多不足之处，比如说在阻抗控制下会产生非常大的力信息误差，在很多场合下 还无法应用；相比之下，自适应控制策略的计算量较小，修正量可以通过在线系统进行计 算，它还可以将一些多变的变量包容于修正量中，因而此方法仅仅对于补偿不准确性和不 确定性的状况有一定的鲁棒性。智能控制仍处于初级起步阶段，现阶段仅仅将智能控制原 理用于对以往研究中无法解决的难题进行新的尝试，仍具有一定的局限性。力位混合控 制计算复杂，实施比较困难，但相对其他三种控制策略来说，还是比较可取的，因此本课 题采用力位混合控制策略来对轴孔的柔顺装配过程进行研究。 1 5 论文的主要内容 本课题针对用机器人自动的对轴与孔的装配进行了以下几个方面的研究工作：确定装 配过程中所应采取的控制策略，对机器人用来实现柔顺装配作业的控制方法、原理进行分 析、研究；通过建立轴孔装配的力学模型，对机器人在装配控制过程中的受力情况进行分 段分析总结，并生成装配力曲线，根据仿真结果得出装配过程中最关键的阶段，并讨论、 分析在该阶段机器人的轴孔装配过程中可能会出现的不柔顺特征，如“卡阻 、“楔紧”等 等；编制软件实现各参数对装配力影响的仿真分析，得出要使机器人轴孔装配顺利地进行 下去所必须要满足的约束条件以及对装配过程中各参数取值的要求。 1 6 论文的章节安排 根据课题的研究内容，论文的章节安排如下： 第1 章：概括柔顺装配技术的研究意义和它在国内外的发展历史，对目前存在的几种 柔顺控制策略的研究现状进行简单的介绍，比较它们的优缺点，选择出适合本课题的控制 策略。 第2 章：对本课题中机器人执行轴孔柔顺装配过程所采取的控制策略一力位混合控制 策略的控制原理、方法进行分析，举出实例来说明给控制方法的可行性，以及该方法用于 轴孔装配的具体控制过程。 第3 章：在力位混合控制策略确定之后，对轴孔装配时所需的柔顺坐标系的建立进行 8 i 绪论 实例分析，给定装配简单模型，将整个装配过程划分为四个阶段，对每一个阶段的装配过 程进行力学分析，得出了各个装配力的大小，并生成装配力分力在各阶段的仿真曲线图， 由仿真结果判断装配过程中的关键阶段，即对装配影响最大的阶段。 第4 章：在装配过程的关键阶段，分析最有可能出现的不柔顺特征一“卡阻”和“楔 紧 ，并对这两种不柔顺特征进行力学分析，得出这些影响装配的不柔顺特征出现的原因， 以及这些特征在以后的装配作业中应该如何避免，及所应该满足的力或位置约束条件。 第5 章：对于造成类似卡阻与楔紧等装配不柔顺的各个参数一初始侧向偏差、侧向刚 度、初始偏转角、角偏转刚度对装配插入力的影响进行分析，在装配的各个阶段参数对插 入力的影响各有不同，通过参数对装配的影响的仿真结果得出对装配影响最大的参数以及 对装配有利的参数的取值范围。 第6 章：对全文的研究内容进行总结和展望。 1 7 本章小结 本章介绍了与课题相关的机器人装配的国内外研究情况，阐述了装配技术的研究现状 和意义，通过对现有的四种装配策略的总结比较，分析各自的优缺点，选出本课题最适合 的装配策略，并对全文的思路进行整理安排。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 0 2 力位混合控制策略在柔顺装配控制中的具体分析 2 力位混合控制策略在柔顺装配控制中的具体分析 2 1 力位混合控制策略原理分析 机器人的手爪和外界接触有两种极端状态，第一种状态是在空间中手爪能够自由运 动，也就是说手爪与外界环境在接触的时候，没有力的相互作用，如图2 1 ( a ) 所示， 这时候的自然约束是完全关于接触力的约束，约束条件为f = o ，即，在手爪的任何方向上 不能施加力，而在位置的六个自由度上可以自由运动。第二种状态是将手爪固定不动，如 图2 1 ( b ) 所示，这时候的手爪不能自由的改变位置，也就是说，对手爪的自然约束是 六个位置约束，但是在它的六个自由度上可以施加力和力矩。 ( a )( b ) 图2 - 1 手爪与外界接触时的两种极端状态 f i g 2 - 1p a w sc o n t a c tw i t ht h et w oe x t r e m eo ft h es t a t e 对于上面提到的两种极端状态，前一种情况属于位置控制方面的问题，后一种情况在 实际生产或者作业任务中一般较少出现，大多数状况是一部分自由度服从于位置约束，另 外一些部分自由度受到力约束。因此，有些自由度服从位置控制，有些自由度服从力控制。 由于不能准确地确定哪些自由度是属于位置控制，哪些自由度是属于力控制，因此在分析 过程中就需要采用一种将位置和力控制都能考虑到的方式，即位置力混合控制的方式。 位置力混合控制方式主要是将控制空间分为两个子空间，分别是力控制子空间和位置控 制子空间，然后通过对力控制轴与位置控制轴的选取，最终确定各关节的受控类型，从嘲1 。 机器人用于实际生产环境时，机器人所采取的位置力混合控制策略必须解决三个问 题，分别是：( 1 ) 位置控制施加在有力的自然约束的方向；( 2 ) 与第一种相反，力控制旌 加在有位置自然约束的方向；( 3 ) 位置与力的混合控制施加在任意一个约束坐标系的正交 自由度上。 事实上，在力位混合控制策略中，在力控制子空间是利用力控制策略进行力控制， 在位置控制子空间是利用位置控制策略进行位置控制，它的任务空间里的各个子空间各有 自己的任务，分配均匀，最后在合成在总的任务空间里，达到独立控制而