本發(fā)明涉及機(jī)器人打磨，尤其是指力控伺服系統(tǒng)中摩擦力與動(dòng)態(tài)力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在機(jī)器人打磨系統(tǒng)中，為了精準(zhǔn)控制打磨過程中的輸出力，當(dāng)前存在兩種實(shí)施方案：

2、方案一是在機(jī)器人末端加裝力傳感器。這一方案通過在機(jī)器人末端安裝力傳感器，配合機(jī)器人位置控制與傳感器反饋的接觸力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)力位耦合閉環(huán)控制。如中國(guó)專利cn201910789065.1、cn202410125295.9中描述的方案。然而，該方案面臨一些問題：工業(yè)機(jī)器人的位置控制精度通常只能達(dá)到毫米級(jí)，這樣的誤差導(dǎo)致了力控精度的固有誤差。此外，由于系統(tǒng)依賴力傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的帶寬較低，因此在復(fù)雜工況下難以快速響應(yīng)打磨力控的需求。

3、方案二是在機(jī)器人末端安裝主動(dòng)式力控裝置。為了克服方案一中的缺陷，打磨系統(tǒng)更多地采用方案二的設(shè)計(jì)，如中國(guó)專利cn202320473478.0中描述的方案。該方案通過在機(jī)器人末端安裝主動(dòng)式力控裝置，使得該裝置能夠根據(jù)上位系統(tǒng)的輸出力指令直接輸出設(shè)定的期望力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置控制與打磨接觸力控制的解耦。由于力控裝置可以快速響應(yīng)力的變化，系統(tǒng)帶寬較高，適用于復(fù)雜工況。然而，盡管此方案在力控裝置內(nèi)部對(duì)比例調(diào)壓閥進(jìn)行了壓力控制，但并未實(shí)現(xiàn)整個(gè)打磨系統(tǒng)的全閉環(huán)控制。此外，力控裝置中的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)因不可避免的非線性摩擦力及打磨過程中的動(dòng)態(tài)力，在負(fù)載較大或機(jī)器人位置快速變化時(shí)，力控精度仍存在誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有機(jī)器人打磨過程中非線性摩擦力與動(dòng)態(tài)力對(duì)力控精度的影響，提供了力控伺服系統(tǒng)中摩擦力與動(dòng)態(tài)力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法及系統(tǒng)，通過對(duì)力控伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的非線性摩擦力和動(dòng)態(tài)力，并通過實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償來提升控制精度。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種力控伺服系統(tǒng)中摩擦力與動(dòng)態(tài)力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，基于氣動(dòng)伺服力控裝置和控制器單元，所述氣動(dòng)伺服力控裝置包括比例調(diào)壓閥、電磁換向閥、雙向氣缸和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元；其中，所述控制器單元能夠?qū)崟r(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)，所述傳感器數(shù)據(jù)包括運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息、氣缸壓力信息、氣動(dòng)伺服裝置的姿態(tài)信息以及打磨接觸力信息，所述控制器單元能夠根據(jù)所述傳感器數(shù)據(jù)得到比例調(diào)壓閥的補(bǔ)償電壓，并通過所述電磁換向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)所述雙向氣缸的運(yùn)動(dòng)控制，所述運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元執(zhí)行由所述雙向氣缸驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力控打磨；

3、所述實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法包括：

4、接收期望打磨力的指令，根據(jù)比例調(diào)壓閥的控制系數(shù)和所述期望打磨力的指令，得到比例閥初始控制電壓；

5、建立所述氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型；

6、獲取運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息和所述動(dòng)力學(xué)模型，得到動(dòng)態(tài)力，基于所述動(dòng)態(tài)力，得到動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力；

7、獲取打磨接觸力信息和氣缸輸出作用力，建立非線性摩擦力與所述打磨接觸力、所述氣缸輸出作用力和所述動(dòng)態(tài)力之間的關(guān)系模型；

8、基于所述關(guān)系模型，得到非線性摩擦力的補(bǔ)償力；

9、基于所述動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力、非線性摩擦力的補(bǔ)償力，得到比例調(diào)壓閥補(bǔ)償電壓，基于所述比例調(diào)壓閥補(bǔ)償電壓和所述比例閥初始控制電壓，得到比例閥控制電壓；

10、獲取所述比例調(diào)壓閥的比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)和雙向氣缸的氣缸截面積，基于所述比例調(diào)壓閥控制電壓、所述比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)和所述雙向氣缸的氣缸截面積，得到氣缸補(bǔ)償后輸出作用力。

11、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型為：

12、，

13、其中，為氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型；

14、為氣動(dòng)伺服力控裝置的模態(tài)質(zhì)量；

15、為系統(tǒng)阻尼力系數(shù)；

16、為系統(tǒng)剛度系數(shù)；

17、為拉普拉斯變換中的復(fù)變量。

18、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述根據(jù)所述氣動(dòng)伺服裝置的位移和所述動(dòng)力學(xué)模型，得到動(dòng)態(tài)力，包括：

19、利用下式得到動(dòng)態(tài)力：

20、，

21、其中，為動(dòng)態(tài)力；

22、為氣動(dòng)伺服裝置的位移；

23、為氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

24、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述基于所述動(dòng)態(tài)力，得到動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力，包括：

25、利用下式得到動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力：

26、，

27、其中，為動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力；

28、為氣動(dòng)伺服裝置的位移；

29、為氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

30、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述建立非線性摩擦力與所述打磨接觸力、所述氣缸輸出作用力和所述動(dòng)態(tài)力之間的關(guān)系模型，包括：

31、利用下式得到關(guān)系模型：

32、，

33、其中，為打磨接觸力；

34、為氣缸輸出作用力；

35、為非線性摩擦力；

36、為氣動(dòng)伺服裝置的位移；

37、為氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

38、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述基于所述關(guān)系模型，得到非線性摩擦力的補(bǔ)償力，包括：

39、利用下式得到非線性摩擦力的補(bǔ)償力：

40、，

41、其中，為非線性摩擦力的補(bǔ)償力；

42、為打磨接觸力；

43、為氣缸輸出作用力；

44、為氣動(dòng)伺服裝置的位移；

45、為氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

46、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述基于所述比例調(diào)壓閥控制電壓、所述比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)和所述雙向氣缸的氣缸截面積，得到氣缸補(bǔ)償后輸出作用力，包括：

47、利用下式得到氣缸補(bǔ)償后輸出作用力：

48、，

49、其中，為氣缸補(bǔ)償后輸出作用力；

50、為比例閥控制電壓；

51、為比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)；

52、為雙向氣缸的氣缸截面積。

53、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述氣動(dòng)伺服力控裝置包括傳感器單元，所述控制器單元包括arm模塊和fpga模塊；

54、所述傳感器單元包括位移傳感器、姿態(tài)傳感器、力傳感器，所述比例調(diào)壓閥、所述位移傳感器、所述姿態(tài)傳感器和所述力傳感器分別通過傳感器接口連接至所述控制器單元；所述位移傳感器用于獲取所述運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息，所述姿態(tài)傳感器用于獲取氣動(dòng)伺服裝置的姿態(tài)信息；

55、所述控制器單元能夠接收所述期望打磨力的指令，所述期望打磨力的指令通過上位機(jī)的通信接口發(fā)送；

56、所述fpga模塊接收來自所述傳感器單元傳送的傳感器數(shù)據(jù)，所述arm模塊對(duì)所述傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的電壓至所述比例調(diào)壓閥；

57、所述比例調(diào)壓閥連接至氣路進(jìn)口，所述比例調(diào)壓閥和所述電磁換向閥相連，所述比例調(diào)壓閥和所述電磁換向閥分別與所述控制器單元電連接。

58、在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述電磁換向閥采用兩位五通電磁閥。

59、本發(fā)明還提供一種力控伺服系統(tǒng)中摩擦力與動(dòng)態(tài)力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：

60、比例閥初始控制電壓獲取模塊，用于接收期望打磨力的指令，根據(jù)比例調(diào)壓閥的控制系數(shù)和所述期望打磨力的指令，得到比例閥初始控制電壓；

61、動(dòng)力學(xué)模型建模模塊，用于建立氣動(dòng)伺服力控裝置的動(dòng)力學(xué)模型；

62、動(dòng)態(tài)力補(bǔ)償力獲取模塊，用于獲取運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元的位移信息和所述動(dòng)力學(xué)模型，得到動(dòng)態(tài)力，基于所述動(dòng)態(tài)力，得到動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力；

63、關(guān)系模型建立模塊，用于獲取打磨接觸力信息和氣缸輸出作用力，建立非線性摩擦力與所述打磨接觸力、所述氣缸輸出作用力和所述動(dòng)態(tài)力之間的關(guān)系模型；

64、非線性摩擦力補(bǔ)償力獲取模塊，用于基于所述關(guān)系模型，得到非線性摩擦力的補(bǔ)償力；

65、比例閥控制電壓獲取模塊，用于基于所述動(dòng)態(tài)力的補(bǔ)償力、非線性摩擦力的補(bǔ)償力，得到比例調(diào)壓閥補(bǔ)償電壓，基于所述比例調(diào)壓閥補(bǔ)償電壓和所述比例閥初始控制電壓，得到比例閥控制電壓；

66、氣缸補(bǔ)償后輸出作用力獲取模塊，用于獲取所述比例調(diào)壓閥的比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)和雙向氣缸的氣缸截面積，基于所述比例調(diào)壓閥控制電壓、所述比例閥電壓轉(zhuǎn)換氣壓系數(shù)和所述雙向氣缸的氣缸截面積，得到氣缸補(bǔ)償后輸出作用力。

67、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

68、本發(fā)明所述的力控伺服系統(tǒng)中摩擦力與動(dòng)態(tài)力的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法及系統(tǒng)，通過對(duì)力控伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，建立非線性摩擦力與打磨接觸力、氣缸輸出力及動(dòng)態(tài)力之間的關(guān)系模型，并基于此模型對(duì)非線性摩擦力和動(dòng)態(tài)力進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。有效地克服了傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)中因摩擦力和動(dòng)態(tài)力造成的精度問題，顯著提高了系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的力控精度。

69、本發(fā)明通過力傳感器、位移傳感器、姿態(tài)傳感器的多信號(hào)反饋，確保了力控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整，維持高精度力輸出。特別是在動(dòng)態(tài)變化的工況下，閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的力輸出穩(wěn)定性。

70、本發(fā)明的zynq芯片將高性能arm處理器和fpga集成在一起，fpga模塊用于高速采集傳感器數(shù)據(jù)，采集周期為200微秒，arm模塊則處理這些數(shù)據(jù)并計(jì)算出合適的電壓信號(hào)。相比傳統(tǒng)的plc控制方法，本發(fā)明大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度和控制算法的執(zhí)行效率，從而增強(qiáng)了控制的精度和實(shí)時(shí)性。