自主装配机器人路径规划及力位跟踪控制研究

发布时间：2020-11-14 08:40

　　 机器人实现智能装配、协作装配是“中国制造2025”提出的具体要求,现有的机器人技术已经实现了力伺服控制,面对市场多元化需求,现有装配机器人智能化程度较低,产品装配效率不高,因此,借助人工智能技术对装配机器人实现快速,高效的智能装配迫在眉睫。本文基于视觉/力觉融合的六自由度机器人,对装配机器人传感器重力补偿及手爪标定、工作空间路径规划、力位跟踪控制等展开研究。1.装配机器人六维力传感器重力补偿及手爪标定。建立传感器空间受力模型,获取N(N≥3)组不同姿态的负载下传感器数据,采用最小二乘法分析并进行实验,求得传感器零点值、负载重心坐标、以及负载重力值,对机器人所受的外部环境力精确补偿。基于视觉引导抓取轴模型,对工具坐标系位置标定采用最小二乘法求解,姿态标定采用Halcon手眼视觉标定计算。最后进行实验标定,获得工具坐标系到末端坐标系的变换矩阵,为路径规划实现轴的精确抓取做准备。2.装配机器人路径规划。提出一种改进人工势场法(局部)和APF-RRT(全局)结合的避障路径规划算法。首先,根据六自由度装配机器人模型,引入浮动控制点和固定控制点,修正引力势场函数,对斥力势场引入与目标点的相对距离,并增加调节因子实现势场调控,使机器人碰到障碍物时朝着目标点的方向逃离;其次,针对势场法易陷入极小问题,将APF的目标引力概念引入RRT的搜索树扩展阶段,使机器人向目标点方向移动,从而跳出局部极小。最后,对提出算法采用MATLAB进行多环境仿真,证明该算法可以对六自由度装配机器人从抓取到装配位置实现工作空间环境的运动规划,能适应环境的变化。3.装配机器人力位跟踪控制算法研究。对轴孔接触时六维力传感器进行受力分析,建立轴孔装配接触的阻抗控制数学模型,将传感器的受力转换为轴孔的实际接触力,进行基于末端力反馈的阻抗控制;对装配过程阻抗模型稳态力误差进行分析,采用Simulink搭建机器人阻抗仿真系统,采用控制变量法对期望的阻抗参数进行辨识仿真得到合适的阻抗参数;对于不确定环境加入模型参考自适应控制算法,对柔顺装配系统进行在线力位调节,仿真实验表明,加入了自适应系统的阻抗控制在面对以下环境:平面的位置和刚度突变、斜面、平面向斜面过渡、曲面、平面向曲面过渡等环境时,切向位置跟踪响应由2s降低到0.2s,稳态接触力响应由4s降低到0.4s,法向接触力跟踪误差由4N降低到到0.3N,自适应阻抗比阻抗控制有良好的适应环境能力,实现了柔顺装配力位精确跟踪仿真。4.装配机器人路径规划实验。设计实验方案,无障碍环境下采用改进势场法与APF-RRT融合算法进行路径规划,验证了算法应用的有效性;在机器人工作空间存在球形包络长方体盒子的障碍物前提下,采用本文提出的算法进行路径规划,验证了算法的避障路径规划能力。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

多数企业开始使用机器人代替人力，因此装配机器人的智能化，柔性化对实现智能制造其重要[3]。针对近年来机器人智能装配的研究发展趋势，本文对机器人装配关键技术：路径规以及装配过程的柔顺控制等方面进行研究。1.1 研究背景及意义近几年中国制造业在全球市场的竞争力越来越激烈，发达国家借助人工智能技术发展掀起了智能制造“再工业化”浪潮[4]， 国际上有德国政府出台“工业 4.0”，美国 2年实施“先进制造业国家战略计划”[5]，日本 2013 年实施“再兴战略”[6]，俄罗斯提出“新国家战略”[7]，国际竞争日益激烈。为此，中国提出“中国制造 2025”战略[8]，把智能制造作为主攻点，大力发展机器领域，争取在 2025 年达到工业机器人领域智能、协作装配，提升产品竞争力，解放人力到 2018 年为止，中国机器人市场结构如图 1-1 所示，可以看到工业机器人占比达 67%装配机器人工业机器人规模占比 16%，可以看出，市场需求潜力巨大，工业机器人发展速前景可观。

自主装配机器人能够实现外部环境力精确感知以及能准确抓感器，安装在机器人腕部。因为手爪的抓取凹槽部分与传感器较重，故其所测得的机器人所受外部环境力并不精确，故本章力补偿研究以便能精确测量外部接触力为后面阻抗控制打下装配前进行路径规划手爪能够准确到达预抓取位置，还需到手爪进行工具坐标系的标定，精确的工具坐标系标定对下一目标位姿有重要影响。本章以实验室固高科技 GRB3016 机器象，进行传感器重力补偿和手爪工具坐标系标定研究。/力矩传感器感知重力补偿传感器接触力的测量配过程需要获取末端执行器与工作空间环境的接触力信息，实现机器人柔顺控制。本文在机器人末端法兰盘安装带有六时测量机器人三个方向的力和力矩。六维力传感器系统主要有器、电源、电缆及软件系统等。其连接示意图如图 2-1 所示。

图 2-2 传感器力信号Fig.2-2 Sensor force signal2.2.2 重力补偿算法装配机器人需要精确感知末端手爪抓取轴以及轴孔装配时的外界接触力，然后控制系统据此修正机器人的运动，才能保证装配作业的柔顺性，传感器安装如图 2-3 所示。图 2-3 腕部传感器Fig.2-3 Wrist sensor
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