基于力觉伺服的工业机器人磨抛轨迹规划与运动控制

【摘要】：工业机器人执行某项作业任务时,机器人的运动轨迹往往会受到一些附加约束条件的限制,例如对平面、柱面、锥面、球面等规则曲面和其他非规则曲面进行磨抛加工作业时,需要控制机器人末端精确跟踪事先在曲面上规划好的轨迹,从而保证磨抛工件的表面加工质量;然而工件在磨抛前,往往会存在尺寸误差,这就需要机器人末端工具能够随着磨抛曲面实时调整机器人运动轨迹,使末端工具与工件之间的作用力始终保持在一定范围,进而保证机器人磨抛过程不被卡住和磨抛质量。本文使用UR5工业机器人完成了基于力觉伺服的轨迹规划和磨抛运动控制研究,使得机器人在按照预先规划好的轨迹进行运动的同时,能够根据末端工具受力情况实时调整运动轨迹。本文首先分析机器人磨抛作业的特点,设计机器人控制系统的总体方案并搭建机器人磨抛实验平台。对UR5工业机器人进行运动学分析,运用D-H法建立机器人运动学模型并推导运动学的正反解。通过对机器人奇异性的分析结果,完善实验平台的设计。针对磨抛作业过程中,轨迹的恒压力控制要求设计力采集及信号处理装置。为获得接触力的可靠估计,需要对工具重力、传感器零漂、安装后产生的力偏差和磨抛过程中的摩擦力进行补偿。然后,本文针对自由曲面进行磨抛轨迹规划。利用STL三维模型和Bezier三角曲面拟合方法,对工件的自由曲面进行三维重构拟合。在笛卡尔空间,使用等参数法生成机器人磨抛轨迹,为后续进一步使用机器人末端的恒压力控制提供轨迹参照。其后,进行机器人在磨抛作业过程中的轨迹运动控制。将机器人力/位置混合控制算法与PID算法相结合来实时调整机器人在运动时的末端位姿,并最终实现对机器人末端工具的恒压力控制。设计机器人控制系统架构及运动控制器,通过对机器人末端速度的控制实现力/位置混合控制器的设计。最后,在UR5磨抛实验平台上对基于力觉伺服的轨迹规划和运动控制方法进行验证。在生成扫描式和螺旋式等参数轨迹的基础上使用ATI六维力传感器实时监测机器人末端磨抛时受到的力信息并反馈回上位机,进一步使用恒压力控制对等参数轨迹进行精确调整。实验结果表明力觉伺服方法能有效解决模型尺寸不精准造成的加工难题,提供了机器人磨抛控制的一种可行方案。