基于主动柔顺控制的工业机器人直接示教研究*

史景飞，王大庆，闫法领，高理富

(1.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥 230031;2.中国科学技术大学 自动化系,合肥 230026)

基于主动柔顺控制的工业机器人直接示教研究*

史景飞1,2，王大庆1,2，闫法领1,2，高理富1

(1.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥 230031;2.中国科学技术大学 自动化系,合肥 230026)

为了实现机器人的直接牵引示教功能，对机器人直接示教问题进行了研究，在ER6C60工业机器人上开发了基于拖曳的机器人直接示教系统。机器人直接示教系统采用了基于位置调整的主动柔顺控制方法，能够通过力/力矩传感器检测操作者的示教牵引力，将力坐标变换后的力信号转换为机器人末端执行器位置的调整量，实现了机器人的顺应性跟踪控制。上位机采用基于VC++的网络编程实现了机器人直接示教功能。实验结果验证了机器人直接示教系统的有效性和通用性。

主动柔顺控制；直接示教；力/力矩传感器；工业机器人

0 引言

随着工业自动化技术的发展，工业机器人在柔性制造等领域得到广泛的应用[1]。对于打磨等应用领域，必须引入力反馈控制[2]，以顺应外部环境。

多数工业机器人只能通过示教器等完成机器人轨迹的示教操作，效率较低。机器人直接示教[3]是指示教人员直接与末端执行器接触，通过牵引末端工具完成示教任务。机器人直接示教的实现依赖于机器人主动柔顺控制的阻抗控制策略[4]，实现机器人对牵引力的顺应性跟踪。

机器人直接示教可以分为基于力传感器的直接示教和免力矩传感器的直接示教两种形式。胡建元、黄兴汉[5]等人利用力传感器检测外部力信息，将力信号转换为机器人位置量的方法，在五关节机器人实现了顺应性跟踪控制。Kushida[6]等人提出采用实时重力、摩擦力补偿，实现免力矩传感器的直接示教。Daisuke[7]等人提出了一种自由力控制的方法，牵引末端工具运动，进行了仿真实验。徐建明[8]等人利用六维力传感器检查外部力信息，将力信号转换为关节速度修正量的方法，实现了顺应性跟踪示教。刘昆[9]等人利用机器人动力学方程，将得到的关节空间力分量转换为关节位置坐标，实现了直接示教。吴威[10]等人采用力传感器信号修正机器人的位置量，利用机器人顺应性跟踪控制，在焊接机器人示教得到应用。可以发现，对于基于免力矩传感器以及力矩补偿方法的直接示教，过程繁琐，动力学方程求解等存在困难，难以在实际过程中进行力矩补偿。另外由于机器人控制器封闭性等原因，基于力传感器速度调节的直接示教难以应用到其他机器人上。

在不改动控制器的基础上，采用位置控制可以实现直接示教。本文采用了基于主动柔顺控制的机器人直接示教方法，在机器人末端安装六维力传感器检测外部力信息，通过力坐标变换得到工作坐标系的力信号，将得到的力信号转换为机器人末端执行器的位置修正量，实现了机器人的直接拖曳示教。该方法对机器人控制器没有特殊要求，通用性较好。

1 直接示教系统结构

本文直接拖动系统主要由多维力传感器系统、计算机、工业机器人、示教把手等部分构成。其中力传感器安装在机器人末端，检测机器人末端执行器受到外部的力/力矩信号。传感器网络盒主要完成力传感器信号的调理以及和计算机的通信。本系统所使用的工业机器人系安徽埃夫特智能装备有限公司的ER6C60通用型6R工业机器人。下面分别介绍系统的主要构成部分。

1.1 ER6C60机器人

作为机器人直接示教系统的主要组成部分，ER6C60工业机器人具有重复定位精度高、运动范围空间大、末端负载大等优点。其中机器人本体以及机器人示教器分别如图1所示。

(a)ER6C60机器人 (b)示教器 图1 ER6C60机器人及示教器

机器人示教器功能强大，提供了通用显示区、人机对话显示区，可以实现位置状态的控制与通信等。总体而言，ER6C60机器人系统功能全面，能够满足实际实验要求。

1.2 力传感器系统

为了实现力信息的获取，系统安装了六维力传感器系统，实现力信号的动态检测。为了提高机器人直接示教系统数据传输的速率，提高系统响应速度，机器人通信采用TCP协议方式。计算机与机器人控制器通信时，计算机作为服务器端，机器人作为客户端，采用TCP实现机器人与上位机的通信。计算机读取力传感器数据时作为客户端，基于TCP协议编程实现信号的实时采集。上位机、机器人、力传感器各自IP地址和端口设置的系统框图如图2所示。

在实际力信号采集显示中，可以使用系统自带的上位机采集显示程序或者基于TCP/UDP网络通信协议编程实现信号的实时采集。

图2 机器人直接示教系统通信框图

2 力信号检测与力坐标变换

为了准确的检测外部示教力，系统采用六维力传感器安装在加持工具末端，通过手柄检测外部操作者的力信息，实现力信号的快速检测。

2.1 力信号检测

系统采用的六维力传感器采用硅应变计形式检测外部形变量，经过标定后将电压信号V转变为力信号F，即有：

F=C·V

(1)

其中，F为传感器力矢量，C为传感器标定矩阵，V为电压信号矢量。

根据力传感器命令字的数据结构，采用基于UDP协议的网络编程不难实现力传感器信号的读取。

2.2 力坐标变换

通常力传感器测量的力信号是在传感器坐标系下的结果，为了获得所需要坐标系力信息，需要完成力的坐标变换。

下面简要介绍基于虚功原理的力坐标变换的一般形式[11]。假设传感器力和力矩矢量记为：

(2)

采用齐次坐标描述坐标系之间的相对位姿，则有：

(3)

为了简化计算定义旋转子矩阵R，平移子矩阵D，分别为：

(4)

(5)

根据虚功原理理论则有：

(6)

以上即为基于虚功原理的力坐标变换形式，实现了不同坐标系下力矢量的表示。

(7)

ER6C60机器人采用ZYX欧拉角表示机器人末端执行器坐标系相对基坐标系的姿态即:

(8)

(9)

其中，h,l为力传感器安装板的几何尺寸，α为传感器安装板与机器人末端坐标系的相对角度值；等式中cα=cosα，sα=sinα，其余类同。

根据传感器的实际情况计算了力传感器坐标系与基坐标系的齐次变换矩阵，结合力坐标变换原理可以得到实际需要的力矢量的表示。

3 顺应性控制原理

基于主动顺应跟踪控制的机器人直接示教系统可以分为基于力/力矩传感器的直接示教和免力矩传感器的直接示教[12]。基于力传感器的机器人顺应性跟踪控制能够精确检测外力大小，灵敏度较高，稳定性较高。本系统采用基于力/力矩传感器的直接示教。

基于力/力矩传感器的直接示教的控制策略主要分为两种，一种是将力传感器检测的力矢量信息经过力坐标变换后转换为机器人关节速度的调节量，从而实现顺应性控制。另一种为将力传感器测量的力信号经过力坐标变换后转换为机器人末端位置修正量，进而实现顺应性控制。

由于实际机器人控制不开放力矩控制和速度控制功能，为了实现基于顺应性控制的直接示教，我们只能采取基于位置控制策略实现。

基于位置的顺应性控制主要利用力控制器将力差值信息转换为机器人位置调整量，通常可以采用比例控制或者PI控制器实现[13]。下面介绍基于位置控制的顺应性控制算法，如图3所示为基于位置控制的结构框图。

图3 基于位置控制的顺应性控制结构框图

为了在机器人位置控制基础上实现直接示教，需要加入力反馈控制，通过力外环的反馈使得机器人能够感知外界的牵引力，利用柔顺控制策略实现经力坐标变换的力矢量与机器人末端位置或速度量的转换。

力传感器安装在机器人末端测量得到外部操作者示教力，经过滤波等处理后进行力坐标变换得到我们实际需要的基坐标系下力矢量Fr，与期望力矢量Fd进行作差值，得到力差值信息ΔF。

根据上述关系式则有:

ΔPF=Kf·ΔF=Kf·(Fd-Fr)

(10)

Pk+1=Pk+ΔPF

(11)

其中，Pk+1为调整后末端位置量，Pk为当前末端位置量，ΔPF为位置末端调整量，Fd为期望的力矢量，ΔF为力差值矢量。

上述内容为基于位置控制的直接示教的主要原理。在不改变机器人控制器基础上，我们通过力反馈环使得机器人能够检测末端的牵引力，采用主动柔顺控制的位置控制策略，将力坐标变换的力矢量转换为机器人末端位置调整量，从而实现机器人对牵引力的顺应性跟踪。

基于位置控制的顺应性跟踪控制效果的好坏主要取决于柔顺矩阵Kf的取值是否合适。关于柔顺矩阵的选取，胡建元、黄兴汉[14]等人提出了刚度矩阵测量的方法，并给出了柔顺矩阵取值的一般性原则。

本文柔顺矩阵元素选取主要参考上述文献中的有关原则，同时结合实际操作者示教效果调整矩阵元素取值选取适当的柔顺矩阵。

4 直接示教系统实现

为了实现直接示教功能，上位机编程采用基于MFC对话框的网络编程实现，主要可以分为服务器端、客户端等部分。其中上位机客户端程序是指基于UDP通信协议实现上位机与力传感器网络通信和数据读取采集。上位机服务器端程序是基于TCP/IP通信协议编写，主要实现了基于位置调整的直接示教。

为了更加直观了解基于位置控制的机器人直接示教系统的流程，主要流程图如图4所示。

当完成计算机IP地址、传感器参数等信息配置后，操作者手拉动示教手柄，上位机客户端采集读取力传感器信号，并绘制力信号的动态变化。同时上位机服务器端发送初始化坐标到初始位置后，进行力坐标变换并发送调整后的机器人位置坐标从而实现机器人跟随操作者拖动示教等功能。

图4 机器人直接示教系统流程图

5 示教实验与结果

基于位置控制策略的机器人直接示教关键的部分是柔顺矩阵的取值是否恰当。根据本文实际的作业情况，结合实际操作者示教效果调整矩阵元素以选取适当的柔顺矩阵。下面给出柔顺矩阵对角元素的取值即为：

Kf=diag(-0.55,-0.55,-0.5,0.2,-0.2,-0.25)

其中，非对角元素可以根据实际对某方向的灵敏度要求进行加减。

为了验证直接示教效果，我们进行了直接示教实验。本文的实验对象为ER6C60工业机器人，示教-复现主要过程如下图5、图6所示。

图5 机器人直接示教过程图

图6 机器人直接示教复现过程图

在直接示教过程中，在力传感器的安装手柄末端施加力和力矩信号，使得机器人跟随外部操作者的牵引力运动。我们牵引机器人沿着工件边缘进行直接拖曳示教，同时示教系统记录示教过程的轨迹坐标点，当示教完成得到轨迹后，我们进行了轨迹的复现。可以看到机器人能够跟随外部牵引力运动，达到了直接示教的目的。

实验结果表明ER6C60直接示教机器人系统能够实时检测外部力信息，实现机器人对外部牵引力的顺应性跟踪，系统能够满足实际需求。

6 结论

本文采用基于力/力矩传感器顺应控制方法在ER6C60机器人上实现基于位置控制的机器人直接拖动示教。该系统通过在机器人末端安装六维力传感器检测外部操作者力信号获得其运动意图，通过力坐标变换原理得到等效的力信息。采用了基于位置调节的主动柔顺控制方法，实现了机器人的顺应性牵引示教。编写了基于MFC对话框程序的直接示教系统程序，采用TCP/IP网络编程方法实现了力信号实时检测与机器人位置运动控制。

实验结果表明在ER6C60机器人实现的直接牵引示教效果较好，对控制器无特殊要求，通用性较好。系统由于采用位置控制，示教过程存在响应慢、不够流畅等缺点，系统需要进一步优化。

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ResearchoftheDirectTeachingofIndustrialRobotsBasedonActiveComplianceControl

SHI Jing-fei1,2，WANG Da-qing1,2，YAN Fa-ling1,2，GAO Li-fu1

(1. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;2. Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In order to realize the function of the direct teaching of the robot, the direct teaching problem of robots was analyzed, and the direct teaching system was developed on the ER6C60. The active compliance control method based on position adjustment was used in the direct teaching system. The operator’s force could be detected by force/ torque sensor and the force signals obtained by the transformation of static force between coordinate systems were converted into the position adjustment of the robot end-effector, so it could realize the compliance tracking. The upper PC adopted network programming technology based on VC++ for realizing the function of the direct teaching of the robot. At last, the effectiveness and generality of the direct teaching system was validated experimentally.

active compliance control; direct teaching; force/ torque sensor; industrial robots

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0066-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.016

2017-02-16；

2017-03-23

中国科学院战略性先导科技专项基金(XDA08040109)；核环境机器人(射线防护关键技术与应用开发基础研究(C2016011)；安徽省对外科技合作项目(1503062026)

史景飞(1991—)，男，安徽蒙城人，中国科学院合肥智能机械研究所硕士，研究方向为机器人，(E-mail)sjf_signal@163.com；通讯作者：高理富(1970—)，男，合肥人，中国科学院合肥智能机械研究所研究员，博士生导师，研究领域为机器人和机器人传感器，(E-mail)lifugao@iim.ac.cn。

(编辑李秀敏)