装配任务中机械臂柔顺控制方法研究

摘要

自动化工厂装配任务程序的日益繁琐以及作业环境复杂化，导致机械臂末端执行器与环境交互过程中出现了安全、成本以及柔顺特性等问题，针对以上问题，本文以UR5(Universal Robot 5)机械臂为研究对象，对机械臂在装配任务中的柔顺装配控制方法进行了研究。 本文的研究对象为六自由度机械臂，因此可以到达工作空间范围内的任意位姿，满足装配任务的基本需求。此外，机械臂的关节均为单一旋转型结构，易于建立运动学和动力学模型。通常采用在机械臂末端安装六维力传感器获取外部接触力，导致装配作业系统成本增加，为了减小成本，本文采用机械臂关节状态变量间接估计末端执行器与环境的外部接触力。由于常见的装配任务中需要满足不同方向上的位置控制和安全检测，因此碰撞检测和柔顺控制是装配任务中待解决的关键问题，同时也是本课题的研究重点。 依据上述描述将论文分为三大部分进行开展如下： 第一部分求解了UR5机械臂的正运动学、微分运动学，然后以运动学参数为基础推导出UR5机械臂的动能、势能、动力学方程；第二部分分析了机械臂广义动量以及关节干扰力矩，利用广义动量设计虚拟力观测器，然后根据观测估计出的外力设计动态阈值参数估计，最终完成碰撞检测；第三部分介绍了传统阻抗控制以及改进的位置内环阻抗控制，并推导了本文采用的滑模阻抗控制。最后通过MATLAB-VREP联合仿真实验结果以及实验室的UR5机械臂实验验证表明论文研究内容解决了以下问题：一是基于虚拟力观测器的接触力估计以及动态阈值碰撞检测，解决了装配任务中的成本和安全等问题；二是采用滑模阻抗控制的避碰控制策略，有效地解决了机械臂末端执行器与环境接触任务的柔顺控制问题。

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