机械臂末端接触力控制系统设计

王志刚

摘要：为了实现机械臂末端接触力控制系统的高精度和准确性控制，我们提出了一种基于力矩分量算法的接触力控制系统设计方法。根据接触力控制系统的工艺流程操作要求，进行控制系统硬件设计;通过对控制系统的运动过程和弹性执行自动化过程的分析，进行控制系统软件设计。通过MATLAB进行仿真实验，验证了该系统设计的准确性和有效性。

关键词：机械臂;接触力控制;硬件设计;仿真模擬

中图分类号：TP271+.2      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）15-0279-02

机械臂作为实现自动化和工业化的关键技术，其发展备受关注[1]。机械臂设计关键是末端接触力控制系统的精确运行和流畅操作。机械臂末端接触力学状态与工作息息相关，如何实现机械臂末端接触力的精准控制是研究重点。为此本文从硬件和软件方面对控制系统进行优化设计，经过实验论证，证明本文设计的性能。

1 接触力控制系统硬件设计

1.1 控制系统控制器

控制器是接触力控制系统实现指令输出和信号输入的处理装置。包括弹性执行器、PD模块、实际电机位置读取模块、信息监测模块和计算模块[2]。

根据工艺要求，控制器在设计上应采用闭路力学控制方法，实现接触力的精确控制。闭路力学控制装置是由PD功能模块和电机位置读取模块构成的[3]。利用实时信息监测模块检测机械臂位移或复位运动电压，检测数据经计算模块计算后转化为实际接触力参数，进行期望值对比后输出信号到PD功能模块。经过实际电机位置读取模块的位置增量计算，将实际位置信号输出给机械臂末端，实现机械臂末端接触力有效控制。

1.2 控制系统显示面板

显示面板是实现控制系统对机械臂操作的控制台，通过手动输入信息，实现机械臂精确运转。

编程界面通过分析程序指令，实现机械臂多流程、多线束可编程控制、指令开发与解析、点对点运动、直线运动等功能[4]。

机械臂力学控制装置界面包括力学参数设置、状态显示、单轴点动控制按键、界面跳转功能键、手动力学控制以及机械臂运动速度等功能。在力学控制界面，能够设置预测力学控制状态并显示实际力学状态。配备的手动力学控制装置可以结合单轴点动控制装置，在特定状态下（静止、复位、运动骤停）的力学性能检测和调试。

1.3 控制系统运动坐标系

控制系统的运动坐标系设计包括机械臂运动控制的基本功能[5]。

针对机械臂末端接触力编程问题和实际运动中的位置转换，需通过运动坐标系进行机械臂位置标定以及确定接触力大小[6]。基于三点示教法坐标系位置确定装置工作原理，记为A（Ox，Oy，Oz）;通过水平左移机械臂一定的距离，记为第二个坐标点B（X1，X2，X3）;将机械臂进行向上移动，标记第三个坐标点C（X1，X2，X3）。

以三点坐标作为基准向量建立坐标系，其中X轴方向的坐标可以用矢量表示为：

将三轴的矢量表示法进行归一化处理后，就可以得到机械臂运动坐标系。根据实际机械臂末端运动位置，就可以确定相应的坐标系对应的坐标点，根据相应的坐标接触力计算方法，实现多线束多流程的可编程控制。

2 接触力控制系统软件设计

2.1 接触力分析软件

机械臂执行操作任务时，存在机械臂末端与不同任务环境接触的阶段，该阶段接触力分析是实现准确控制的关键。实际机械臂末端装有多维力传感器可对环境接触力进行检测。力学传感器采集到的数据由接触力分析软件分析。接触力分析软件能够根据传感器上传的数据，通过计算实现机械臂位置调整。机械臂在操作过程中接触力的作用时间较长，接触过程可作为静态接触过程来分析，可缩短接触力分析时间，提高软件运算速率。

2.2 接触建模软件

刚体碰撞是瞬态过程，机械臂末端接触为持续一段时间的柔顺过程。因此在机械臂接触力建模过程中，建模软件应根据时间对柔性模型做法向力和切向力的关系描述，模型的参数与机械臂的几何属性及环境的杨氏模量相关。基于此法的接触力建模软件与实际机械臂运转情况相吻合的。

软件建模过程为：假设接触过程包含刚体B，忽略质量接触面S，在接触面和刚体末端有弹簧和阻尼器，用来控制接触力。发生接触时，弹簧的弹性刚度为K，接触面上产生大小相同的反作用力-K。阻尼器产生的阻尼系数为D，根据碰撞时刚体B的速度会在阻尼器上产生大小相等、方向相反的外力-D在接触面上。由力平衡关系分析可知，在忽略质量的接触面上的合外力受力平衡关系必须为零，整个系统的平衡关系式为：

计算接触力时需注意：未接触时接触力为零;当接触力持续进行时，将一直保持力平衡状态，此时的刚体运动速度与接触面的瞬间接触速度保持相等，接触力的计算公式变为：

表达式中接触力为零或取正值时，属于正常柔性接触状态;接触力取负值时，表示刚体的运动速度较接触面运动速度大，说明接触力正在消失。

3 仿真实验

为了对接触力控制系统的软件和硬件进行有效性和稳定性，我们通过MATLAB软件对直线运动的机械臂运动进行了仿真实验。

在笛卡尔坐标系中进行机械臂直线运动的位移和速度变化的曲线分析。如图1所示。

图中分别为XY方向和三维整体运动的力学分布和运动轨迹视图。通过分析得到模拟图及结论：在直线运动过程中，接触力响应发生在5.9s接触后，并在之后的时间内保持稳定。机械臂运动7.9s左右接触力达到最大值;在8.9s后，实验结束，XY方向的位移量不再变化，故XY方向力矩为零，Z方向无位移。通过以上仿真实验分析，结合实际机械臂运动的控制参数，仿真实验能够真实准确的反应接触过程中接触力和位移的变化情况，说明了本文设计的有效稳定。

4 结语

本文通过对机械臂末端接触力变化情况进行的硬件和软件的设计，并通过模拟实验验证了控制系统的稳定性和有效性，仿真实验能够清晰地表现整个接触过程中力的变化和动态特征，末端接触力计算准确有效。希望本文对于机械臂末端接触力控制系统的研究，及后续的机械臂力学控制系统的设计提供参考和帮助。

参考文献：

[1] 肖南峰， 巢娅， 陈星辰. 仿人机械手的触觉传感器和关节驱动及控制系统设计与实现[J]. 重庆理工大学学报， 2018， 32（1）：148-157.

[2] 杨儒骁， 李雨婷. 基于MATLAB和Arduino的小型机械臂控制系统设计[J]. 工业控制计算机， 2018，31（5）：83-85.

【通联编辑：张薇】