面向清洗作業(yè)的車載機(jī)械臂柔順控制研究

寧朋剛 蔡森華 田體先

（1.北京航天匯信科技有限公司，北京 100007；2.武漢科技大學(xué)，武漢 430081）

目前，車載機(jī)械臂已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)化清洗行業(yè)，如國(guó)外已經(jīng)研發(fā)應(yīng)用于飛機(jī)的表面清洗設(shè)備[1]。面向清洗作業(yè)工作過(guò)程中機(jī)械臂與清洗表面接觸且進(jìn)行力輸出，不僅會(huì)影響清洗的質(zhì)量，而且應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。如果接觸力低于這個(gè)范圍，則會(huì)脫離接觸；接觸力太大超過(guò)這個(gè)范圍，則被清洗表面可能損壞。精確控制清洗過(guò)程中的接觸力，是解決上述問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂清洗作業(yè)安全高效的關(guān)鍵[2]。針對(duì)機(jī)械臂的末端柔順控制問(wèn)題，研究人員從機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型[3]、軌跡規(guī)劃[4]以及控制策略[5]等方向進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。本文將以車載液壓驅(qū)動(dòng)臂架系統(tǒng)為研究對(duì)象，引入末端力矩信息，結(jié)合機(jī)械臂末端的自適應(yīng)自由度，提出一種基于位置的阻抗控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法對(duì)機(jī)械臂末端進(jìn)行柔順控制。

1 機(jī)械臂柔順控制器設(shè)計(jì)

圖1為液壓機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。機(jī)械臂為9自由度臂架，主要組成部分為由伸縮油缸驅(qū)動(dòng)的三節(jié)主臂和由擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)的3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，臂架整體旋轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂末端為清洗滾刷，由伸縮油缸及前端擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)自由度。

圖1 液壓機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 機(jī)械臂逆動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)即根據(jù)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿即工具坐標(biāo)系的位姿，求解各關(guān)節(jié)的角度。機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)軌跡是按ve及位置和方向的初始條件分配給末端執(zhí)行器的，目的是確定一條能夠復(fù)現(xiàn)給定軌跡切實(shí)可行的關(guān)節(jié)軌跡(q(t),q˙(t))。關(guān)節(jié)變量q的重構(gòu)需要由包含解的漂移項(xiàng)的數(shù)值積分來(lái)完成。令e=xd-xe表示末端執(zhí)行器位置和方向的期望值與實(shí)際值之間的操作空間誤差，根據(jù)微分運(yùn)動(dòng)學(xué)，e˙=x˙d-JA(q)q˙。采用廣義逆雅可比矩陣，在矩陣JA為非奇異方陣的規(guī)定下，選擇=(q)(+Ke)得到等價(jià)的線性系統(tǒng)e˙+Ke=0。非線性模塊K(·)被用于計(jì)算x，從而跟蹤誤差e。模塊JA-1(q)被用于補(bǔ)償JA(q)，并使得系統(tǒng)線性化。

1.2 基于位置的柔順控制策略

實(shí)際機(jī)器人清洗過(guò)程中，當(dāng)機(jī)器人末端誤差較大時(shí)，若使用固定的清洗軌跡進(jìn)行清洗作業(yè)，很有可能出現(xiàn)未接觸或?qū)C(jī)體產(chǎn)生損傷。為消除誤差對(duì)清洗作業(yè)的影響，需要對(duì)清洗軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

在機(jī)器人末端進(jìn)行軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃，只能通過(guò)機(jī)器人控制器對(duì)末端位置進(jìn)行誤差修正。本文提出了一種用于初始軌跡的力控制策略，即根據(jù)待清洗輪廓得到一系列初始工作點(diǎn)，生成初始清洗軌跡，再基于法向力恒定控制策略修正初始軌跡中不合理的工具位置，完成整個(gè)飛機(jī)的清洗過(guò)程。

機(jī)器人軌跡的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程如下：在機(jī)器人末端，由初始軌跡規(guī)劃可以得到待處理的清洗初始點(diǎn)；對(duì)每一個(gè)點(diǎn)依次進(jìn)行阻抗控制策略的調(diào)整，得到需要法向偏置的位移，進(jìn)而得到坐標(biāo)修正量，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到修正點(diǎn)，而該點(diǎn)為較精確的軌跡位置點(diǎn)；求取該點(diǎn)與該點(diǎn)的初始點(diǎn)的偏移值，對(duì)下一初始點(diǎn)進(jìn)行位置補(bǔ)償，控制機(jī)器人到達(dá)下一點(diǎn)的初始補(bǔ)償點(diǎn)；根據(jù)反饋的法向力信息，進(jìn)行阻抗控制策略的運(yùn)算，精確修正該點(diǎn)；依次類推，直到清洗結(jié)束。整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 清洗動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃示意圖

2 機(jī)械臂末端柔順控制試驗(yàn)

面向飛機(jī)表面清洗任務(wù)，建立清洗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括力矩傳感器、控制器、液壓機(jī)械臂以及飛機(jī)模型等，如圖3所示。

圖3 力控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

液壓機(jī)械臂飛機(jī)清洗過(guò)程中，初始軌跡由離線編程實(shí)現(xiàn)，獲得機(jī)械臂的清洗位置點(diǎn)。此外，根據(jù)清洗過(guò)程檢測(cè)到的力矩信息，對(duì)每個(gè)周期的初始點(diǎn)進(jìn)行法向方向的位置修正，并通過(guò)控制末端兩個(gè)軸實(shí)現(xiàn)。由圖4可以看出，機(jī)械臂開(kāi)始清洗與飛機(jī)表面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞，此時(shí)實(shí)際跟蹤力會(huì)發(fā)生突變（70 s左右）。當(dāng)機(jī)械臂末端穩(wěn)定接觸后，實(shí)際接觸力在-40 N±2 N范圍浮動(dòng)，滿足清洗工藝要求。

圖4 接觸力柔順控制跟蹤曲線

3 結(jié)論

（1）推導(dǎo)機(jī)械臂的逆動(dòng)力學(xué)模型，建立機(jī)械臂末端位姿的實(shí)時(shí)解算形式；

（2）提出機(jī)械臂基于位置的阻抗控制策略，給出了結(jié)合離線軌跡規(guī)劃的柔順控制方法；

（3）對(duì)提出的控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，結(jié)果表明，采用該方法后顯著提高了機(jī)械臂清洗效果。