D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.021 第25卷第1期 北京科技大学学报 Vol.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 模糊控制在机器人柔顺装配中的应用 魏媛媛》魏敏) 林松清》 1)北京科技大学信息工程学院计算机系，北京1000832)武汉理工大学计算机学院，武汉430079 3)中国地质大学（北京）水资源与环境工程学院，北京100083 摘要提出了一种模糊柔顺的控制方法来控制机器人的装配作业.本方法不需要装配作 业的模型参数，省去了大量的计算.并且在控制过程中不需要引入受力信息的变化量.实验 证明，这种方法实用性强，实时性好 关键词机器人装配；模糊控制；柔顺控制 分类号TP249;TP273 机器人装配作业是自动柔性制造系统的关 变、运行过程复杂的系统，具有很好的实时性.它 键环节，它要求高精度的位置信息和装配工件的 能够将人类专家的知识和经验转化为自动控制 精确几何特征”.机器人装配作业的研究对于扩 的策略基于这一目的，本文中提出了一种模糊 大机器人的应用范围有极其重要的意义.在机器 控制的方法， 人装配操作中，由于装配任务的不确定性（包括 产品公差、控制不确定性和传感误差等)，单纯的 1 装配过程的力学分析 位置控制机器人不能胜任带有接触约束的装配 目前的装配任务是以插销入孔装配为模型， 任务，即使是较小的位置误差都可能引起工件与 这一操作代表了装配中的典型困难.插孔装配过 环境之间较大的接触力而损坏机器人或装配体 程可以分为以下三个阶段：接近、找孔、插人.接 .如何使工业机器人实现快速、精密的装配作业 近阶段可以使用传统单纯的位置控制方法来控 是目前急待解决的问题 制.而找孔阶段已经有大量的文献涉及到，它开 柔顺控制依赖于不同的装配任务以及装配 始于当有接触力产生是时候.插入阶段是整个操 物体间不同的几何接触形式.在装配操作中，柔 作中最后一个阶段，也是最复杂、最困难的阶段. 顺控制不仅可以避免物体间较大的接触力，而且 本文着重研究插入阶段的力/力矩，与对应插棒 可以根据传感信息（主要是力/力矩信息）提供物 的位姿关系.这里的插棒和插孔都是被刚性夹持 体间的几何接触信息来引导装配操作，.柔顺控 的 制主要有两种方法：主动柔顺控制和被动柔顺控 制.被动柔顺控制是利用一些可以吸收和储存能 量的机械部件如弹簧、橡胶等减小力的冲击.主 动柔顺控制是利用力反馈，控制机器人在特定的 方向具有力的感知和控制能力.本文采用主动柔 图】装配过程的三种接触方式 Fig.I Three contact modes of assembly 顺控制方法.这种方法是利用力传感器的信息， 监视和控制机械臂的动作. 本文的研究集中在插人阶段.不妨先假设插 操作员的装配过程是通过力的感觉和手的 入过程是成功的，即插棒完全插人孔中.而棒与 触觉来完成柔顺操作的.用机械手来精确模仿这 孔的接触有六种情况，如图1所示为其中三种， 一过程是很困难的.模糊控制对那些非线性、时 其余三种与此类似 在插入过程中，孔壁对棒产生阻力，阻止棒 收稿日期2001-12-25魏媛媛女，29岁，讲师第 2 5 卷 第 1 期 2 0 03 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e rs ity o f S c le o c e a n d Te e h n o fo gy B e ij i n g Vb l . 2 5 N O . l F e b . 2 00 3 模糊 控 制 在机 器 人 柔 顺装 配 中的应 用 魏媛媛 ` , 魏 敏 2 , 林松 清 ” l) 北 京科 技大 学信息 工程 学院计算机 系 , 北 京 1 00 0 83 2) 武 汉理 工大学 计算机 学 院 , 武 汉 4 30 0 79 3) 中 国地质大 学 (北 京 )水 资源 与环境 工程 学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 提 出了一种 模糊 柔顺 的控 制方 法来控 制机 器人 的装 配作业 . 本 方法 不需 要装 配作 业 的模型参数 , 省去 了大量 的计算 . 并 且在 控制 过程 中不需 要 引人受力信息 的变化 量 . 实验 证 明 , 这 种方 法实 用性 强 , 实 时性 好 . 关键词 机器 人装配 ; 模糊 控制 ; 柔顺 控制 分 类号 T P 2 4 9 ; T P 2 7 3 机器 人 装 配 作业 是 自动 柔 性 制 造 系 统 的 关 键环 节 , 它要 求高精度 的位置信息和装 配 工件 的 精确几何 特 征 `, ] . 机器 人装 配 作业 的研究对 于 扩 大机 器人 的应 用 范 围有 极其重要 的意 义 . 在机 器 人装配 操作 中 , 由于装配任务 的不 确定性 (包 括 产品公 差 、 控制不确定性 和传感误 差等 ) , 单纯 的 位置 控制 机器人不 能 胜 任带有 接 触 约束 的装配 任务 , 即使是较小 的位置误差都可 能引起 工件与 环 境 之 间 较 大 的接 触力 而损 坏机 器 人 或装配 体 12] . 如何使工 业机 器人实现 快速 、 精密 的装配 作业 是 目前急 待解 决的 问题 . 柔 顺 控 制依赖于 不 同的 装配 任务 以 及 装 配 物体间 不 同的几 何 接触形 式 . 在装 配操 作 中 , 柔 顺 控 制不 仅可 以 避免 物体间较 大 的接触 力 , 而 且 可 以 根据 传感信息 ( 主要 是力 /力 矩 信息 )提 供物 体间的 几何接 触信息来 引导装配操作 『3] . 柔 顺 控 制 主要 有两 种方 法 : 主 动柔顺 控 制 和被动 柔顺 控 制 . 被 动柔顺控制是 利用 一些 可 以 吸收和 储存能 量 的机 械 部件 如 弹簧 、 橡胶等减 小力 的 冲击 . 主 动柔 顺 控制 是利 用 力反 馈 , 控制 机器 人在特定 的 方 向具有 力 的感 知 和控 制 能力 . 本 文采 用 主动柔 顺 控制 方 法 . 这 种 方法 是利 用 力传感 器 的信息 , 监 视和控制 机械 臂 的动 作 . 操作员 的装配 过 程 是 通 过 力 的感 觉 和手 的 触 觉来 完成柔顺操 作的 . 用机 械手 来精确模仿这 一过 程是 很困难 的 . 模糊控 制对那 些非线性 、 时 变 、 运行 过程 复杂 的 系统 , 具有 很好的实时性 . 它 能 够将人类 专家 的知 识和 经 验转 化 为 自动 控 制 的策略’t] . 基于 这一 目的 , 本 文 中提出了一 种模糊 控 制 的方 法 . 1 装配过 程 的力 学分 析 目前的装配 任务是 以插 销 人孔 装 配 为模型 , 这 一操作代 表 了装 配 中的典型 困难 . 插孔 装配过 程可 以 分为 以 下 三个 阶段 : 接近 、 找 孔 、 插人 . 接 近 阶段 可 以 使用 传统 单纯 的位 置 控 制方 法来 控 制 . 而 找孔 阶段 已 经有 大 量 的文 献 涉及 到 , 它开 始 于 当有 接触力产生是 时候 . 插 人 阶段 是整 个操 作中最后 一个 阶段 , 也 是最 复杂 、 最 困难的 阶段 . 本 文着 重研究 插人 阶 段 的力 /力 矩 , 与对 应 插棒 的位姿关系 . 这 里 的插 棒 和插 孔都是被 刚性 夹持 的 `, , . 姗图 1 装 与 配过 程 牢 的三种 接触 方冷式 iF g . l T h er e e o n at c t nI do e s o f a s s e m b ly 本 文 的研究 集中在 插人 阶段 . 不妨 先 假设插 人过 程是 成 功 的 , 即插 棒完 全插 人孔 中 . 而棒 与 孔 的接触有 六种 情况 , 如 图 l 所 示 为其 中三种 , 其余三 种 与此类 似 . 在插 人 讨程 中 . 孔 壁对 棒 产生 阻 力 , 阻 止棒 收稿 日期 2 001 一 12刁 5 魏 媛媛 女 , 29 岁 , 讲师 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 01. 021