力-位置混合控制机器人工作任务描述中的几个问题

赵臣　洪鹰　张伟军

　　摘要　对力-位置混合控制机器人工作任务描述中的几个关键问题进行了较细致的研究，分析了机器人与操作对象间相互作用力产生的原因，讨论了工作任务的伪完成态问题，并对工作任务描述的完整性问题作了进一步的研究。研究结果表明只有掌握了工作任务描述的实质，并对任务执行过程有深入、完整的了解，才能圆满地完成工作任务描述工作。

　　关键词　机器人　力-位置混合控制　任务描述　应用

1　力/力矩屏蔽问题

　　力-位置混合控制机器人工作任务描述方法通常规定，如果柔性运动坐标系某一方向将有力或力矩产生，则这一方向确定为力控，否则该方向将被确定为位控。我们在用机器人装配陀螺仪时发现情况并非完全如此。
　　

陀螺仪位于轴孔倒角上时的力分析简图见图1。从图1中可以看出机器人这时可检测到F^m_z、M^m_x及M^m_y的存在。　　由于和倒角相接触，由力分析可知机器人此时肯定会检测到F^m_z的存在。但由于柔性运动坐标系O_MRX_MRY_MRZ_MR的x轴及y轴方向均采用力控方式以使机器人能矫正陀螺仪的位置误差，因此只要力-位置混合控制系统工作正常，陀螺仪将沿轴孔倒角缓慢下滑，从而使沿z轴方向检测到的力F^m_z不会很大。
　　此外，由图1很容易看出机器人在倒角阶段检测到的力矩M^m_x及M^m_y并不是由陀螺仪角度误差引起的。另外从图2可知如果让机器人根据检测到的力矩M^m_x和M^m_y矫正陀螺

图2　力矩与矫正

仪的姿态，陀螺仪的角度误差有可能越来越大。因此，在倒角阶段我们最好让陀螺仪沿倒角平动下滑，即尽管在倒角阶段存在M^m_x和M^m_y，机器人绕x及y轴两个方向仍然采用位控方式，其控制参数为

图3　面-面接触过程　

图4　附加条件
从状态①到状态②，机器人力传感器检测到的2个力矩M^m_x、M^m_y其绝对值是逐渐减小的；在状态②M^m_x、M^m_y的绝对值为零。从状态②到状态③，M^m_x、M^m_y的绝对值逐渐变大。到了状态④，M^m_x、M^m_y的绝对值又变成零。

　　很显然，如果操作人员仅给出式（2）作为控制参数，机器人实现的往往是状态②而非面-面接触状态④。为了让机器人实现面-面接触，必须在描述工作任务时给出其它一些控制参量。
　　由图4知，如果机器人以式（2）为控制参量并且满足F^m_x=F^m_y=0，机器人才能实现面-面接触。
　　此例表明，在描述力-位置混合控制机器人的工作任务时，除了要分析任务要求的机器人与工作对象间的接触状态并给出力、位置控制参量外，还要深入分析整个任务执行过程，以避免出现伪完成态等问题。

3　任务描述的完整性问题

　　任务描述的目的是得到机器人完成给定工作任务所需的一切参数。通常情况下力-位置混合控制机器人的典型工作过程包括如下运动：
　　(1)快速到位运动　机器人快速运动到工作位置。
　　(2)低速接近运动　机器人以相当小的速度靠近并接触到工作对象。
　　(3)柔性依从运动　机器人在工作对象约束下完成的接触运动。
　　(4)快速离位运动　机器人完成工作任务后以较高速度离开工作对象，然后开始下一工作循环。
　　上述4种运动可以划分为3种不同的运动形式：
　　(1)自由运动形式　在这种运动形式中，机器人未受到工作对象的约束。快速到位运动和快速离位运动都属于这种运动形式。
　　(2)低速寻触运动形式　该运动的目的是让机器人与工作对象接触上。为避免出现大的碰撞损坏机器人和工作对象，机器人一般以低速接近工作对象，在检测到接触力后运动即告完成。
　　(3)柔性依从运动形式　即机器人在工作对象约束下作出的柔性主动调整运动。
　　从运动的角度讲，进行力-位置混合控制机器人工作任务描述的目的实质上是得到上述3种运动形式的运动参数以及各运动间的转换条件。
　　低速寻触运动的描述与自由运动的描述差不多，只是前者除了要给出运动参数外还要给出运动停止条件。
　　柔性依从运动的描述比较复杂，除了要给出所有C－表面运动力^［4］、位置混合控制参数及不同C－表面运动间的运动转换条件外，有时还要给出其它一些控制参数，如运动停止附加条件等。
　　由自由运动空间到约束运动空间的转换通常是以接触力的出现为标志的。从约束运动空间到自由运动空间的转换则一般是以依从运动的结束为条件的，其关键是确定出正确的工作任务结束条件。不同C－表面运动间的转换比较复杂，一般要经过深入分析和比较才能确定出恰当的运动起止条件及运动转换条件。下面以圆柱体装配为例加以说明。
　　假设轴孔带有倒角。 在圆柱体装配过程中一般存在4种典型运动形式：①接触出现前的低速直线运动；②倒角阶段的对中运动；③轴孔阶段的位姿调整运动；④装配完成后的高速离去运动。运动形式①当然以检测到接触力为结束条件，但考虑到装配误差是随机的，装配任务有可能在低速直线运动结束后即告完成，故运动形式①的结束条件设定为

｜F^m_z｜＞F^s1_z∪l^m<l^s

(3)

式中，F^s1_z为一力阈，常选一较小值；l^m、l^s分别为检测到的插深及规定插深。
　　由力分析可知，在倒角对中阶段和轴孔位姿矫正阶段均可检测到接触力矩M^m_x及M^m_y的存在。如果机器人的控制系统工作正常，在倒角对中阶段检测到的接触力矩值不会很大，而当圆柱体进入轴孔后如果不进行姿态矫正，检测到的接触力矩值会变得相当大，因此，可以根据检测到的接触力矩值是否超过某一阈值来决定机器人该采用运动形式②还是③，即如果条件｜M^m_x｜≥M^s∪｜M^m_y｜≥M^s不成立，则机器人处于倒角对中阶段，如条件为真，则机器人应进行位姿矫正。运动形式④的起始条件为l^m=l^s。
　　当装配精度很高时，由于角度误差条件常常难以满足，装配过程中还可能出现顶死状态（见图5）。

图5　顶死与矫正
顶死状态发生在倒角阶段之后。由力分析可知，如果圆柱体在倒角阶段后能顺利进入轴孔，则在整个装配过程中机器人检测到的反作用力F^m_z不会太大；如果出现顶死状态，机器人检测到的F^m_z会突然变得相当大。因此，可以根据F^m_z的值是否超过某一定值F^s2来判定是否出现了顶死状态。从图5还可看出，如果出现顶死状态，机器人应沿检测到的力矩方向来主动矫正圆柱体的姿态。矫正时输入的控制参数

                              (4)

                             (5)

式中，n为主动调整次数；δ_max为圆柱体最大角度误差。
　　为了验证上述分析的正确性，我们在RCE-1机器人上进行了一系列实验。RCE—1机器人由一台SCARA型机器人及一个六自由度力-位置混合控制手腕两部分组成（见图6）。实验结果表明分析结果是正确的。

4　结论
　　本文讨论了力-位置混合控制机器人工作任务描述中的几个问题。这些问题说明只有掌握了工作任务描述的实质，并对任务执行过程有深入的了解，才能圆满地完成工作任务描述工作。

选自《中国机械工程》