面向清洗作業(yè)的車載機械臂柔順控制研究

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，武漢 430081）

目前，車載機械臂已經(jīng)進入自動化清洗行業(yè)，如國外已經(jīng)研發(fā)應用于飛機的表面清洗設備[1]。面向清洗作業(yè)工作過程中機械臂與清洗表面接觸且進行力輸出，不僅會影響清洗的質(zhì)量，而且應保持在一定范圍內(nèi)。如果接觸力低于這個范圍，則會脫離接觸；接觸力太大超過這個范圍，則被清洗表面可能損壞。精確控制清洗過程中的接觸力，是解決上述問題、實現(xiàn)機械臂清洗作業(yè)安全高效的關(guān)鍵[2]。針對機械臂的末端柔順控制問題，研究人員從機械臂的動力學模型[3]、軌跡規(guī)劃[4]以及控制策略[5]等方向進行了研究，并取得了一定的成果。本文將以車載液壓驅(qū)動臂架系統(tǒng)為研究對象，引入末端力矩信息，結(jié)合機械臂末端的自適應自由度，提出一種基于位置的阻抗控制策略，通過實時補償方法對機械臂末端進行柔順控制。

1 機械臂柔順控制器設計

圖1為液壓機械臂的結(jié)構(gòu)簡圖。機械臂為9自由度臂架，主要組成部分為由伸縮油缸驅(qū)動的三節(jié)主臂和由擺動油缸驅(qū)動的3個旋轉(zhuǎn)自由度，臂架整體旋轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)。機械臂末端為清洗滾刷，由伸縮油缸及前端擺動油缸驅(qū)動自適應調(diào)節(jié)自由度。

圖1 液壓機械臂結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 機械臂逆動力學模型

機械臂逆運動學即根據(jù)機械臂末端執(zhí)行器的位姿即工具坐標系的位姿，求解各關(guān)節(jié)的角度。機器人末端運動軌跡是按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現(xiàn)給定軌跡切實可行的關(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的數(shù)值積分來完成。令e=xd-xe表示末端執(zhí)行器位置和方向的期望值與實際值之間的操作空間誤差，根據(jù)微分運動學，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)得到等價的線性系統(tǒng)e˙+Ke=0。非線性模塊K(·)被用于計算x，從而跟蹤誤差e。模塊JA-1(q)被用于補償JA(q)，并使得系統(tǒng)線性化。

1.2 基于位置的柔順控制策略

實際機器人清洗過程中，當機器人末端誤差較大時，若使用固定的清洗軌跡進行清洗作業(yè)，很有可能出現(xiàn)未接觸或?qū)C體產(chǎn)生損傷。為消除誤差對清洗作業(yè)的影響，需要對清洗軌跡進行動態(tài)規(guī)劃。

在機器人末端進行軌跡動態(tài)規(guī)劃，只能通過機器人控制器對末端位置進行誤差修正。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，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，完成整個飛機的清洗過程。

機器人軌跡的動態(tài)調(diào)整過程如下：在機器人末端，由初始軌跡規(guī)劃可以得到待處理的清洗初始點；對每一個點依次進行阻抗控制策略的調(diào)整，得到需要法向偏置的位移，進而得到坐標修正量，控制機器人運動到修正點，而該點為較精確的軌跡位置點；求取該點與該點的初始點的偏移值，對下一初始點進行位置補償，控制機器人到達下一點的初始補償點；根據(jù)反饋的法向力信息，進行阻抗控制策略的運算，精確修正該點；依次類推，直到清洗結(jié)束。整個過程如圖2所示。

圖2 清洗動態(tài)軌跡規(guī)劃示意圖

2 機械臂末端柔順控制試驗

面向飛機表面清洗任務，建立清洗實驗平臺，包括力矩傳感器、控制器、液壓機械臂以及飛機模型等，如圖3所示。

圖3 力控制實驗平臺

液壓機械臂飛機清洗過程中，初始軌跡由離線編程實現(xiàn)，獲得機械臂的清洗位置點。此外，根據(jù)清洗過程檢測到的力矩信息，對每個周期的初始點進行法向方向的位置修正，并通過控制末端兩個軸實現(xiàn)。由圖4可以看出，機械臂開始清洗與飛機表面接觸時會發(fā)生碰撞，此時實際跟蹤力會發(fā)生突變（70 s左右）。當機械臂末端穩(wěn)定接觸后，實際接觸力在-40 N±2 N范圍浮動，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）推導機械臂的逆動力學模型，建立機械臂末端位姿的實時解算形式；

（2）提出機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）對提出的控制方法進行實驗平臺搭建，結(jié)果表明，采用該方法后顯著提高了機械臂清洗效果。