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1、面向航天器裝配的機械臂柔性力控研究StudyonFlexibleForceControlonRobotArmforSpacecraftAssembly北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所Y-Yl娥張成立孟偉熊濤胡瑞欽【摘要】針對航天器裝配的特點，研究一種機械臂柔性力控方法：在機械臂末端安裝六維力傳感器感力與力矩信息，通過重力補償消除負載重力的影響，得到外部作用力／力矩信息作為輸入控制機械臂運動，實現(xiàn)負載的柔性隨動。關(guān)鍵詞：機械臂柔性力控碰撞檢測航天器裝配【ABSTRACT】Basedonthecharacteristics
2、ofthespacecraftassembly，aflexibleforcecontrolmethodonrobotarmisstudied：6-axisforce／torquesensorismountedontheendofrobotarm，throughgravitycompensation，theexternalforce／torqueinformationcanbeobtained，whichisusedasinputparameterstocontroltherobotarmmovefollowi
3、ngtheexternalforce／torque．Keywords：RobotarmFlexibleforcecon-trolCollisiondetectionSpacecraftassembly航天器產(chǎn)品通常不成批量，難以做到自動化生產(chǎn)，目前的裝配作業(yè)大量依賴人工操作，并輔以吊具、翻轉(zhuǎn)支架車等簡易工具進行不同零部件的安裝。人工操作的方式柔性程度高，適合于航天器小量研制的特點。但對于大重量零部件的安裝，人工托舉難以穩(wěn)定地把控被安裝對象，特別是在安裝空間狹小的情況下，難以對被安裝件進行位姿調(diào)整，易發(fā)生磕碰，
4、損傷產(chǎn)品的風險較高。機械臂具有載重量大、調(diào)整精度高等特點，可以實現(xiàn)大重量零部件的穩(wěn)定保持與精確調(diào)整。但機械臂通常應(yīng)用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)流水線，面對固定的工況，不斷重復(fù)相同的動作，生產(chǎn)效率高。如何在工況多變的航天器裝配中有效、靈活地發(fā)揮機械臂的特點，解決大重量設(shè)備的安裝難題，提高裝配過程的安全可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，是應(yīng)用機械臂進行航天器裝配需要解決的問題。本文針對航天器裝配的特點，研究一種機械臂的柔性力控方法，旨在提高航天器大重量裝配的質(zhì)量、效率和安全性。1機械臂柔性力控方法在機械臂的一些特殊應(yīng)用(如軸
5、孔裝配，曲面磨削，去毛刺等)中，通常采用“柔順控制”Ⅲ使機械臂末端順應(yīng)工件邊界，并能將接觸力保持在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。柔順控制方法分為被動柔順和主動柔順2種【2J：被動柔順控制是設(shè)計一種柔性機械裝置，并把它安裝在機械臂的腕部，用來提高機械臂末端順應(yīng)外部環(huán)境的能力[31；主動柔順是根據(jù)力傳感器的反饋信息，結(jié)合適當?shù)目刂品椒?如阻抗控制一l、力／位混合控制嘲等)，根據(jù)實際作用力與理想作用力之間的誤差對機械臂的運動軌跡進行實時修正，以使接觸力保持在要求的范圍內(nèi)睜7】。柔順控制可以使機械臂在既定軌跡的基礎(chǔ)上作微小修正，將接
6、觸力保持在適當、安全的范圍內(nèi)，還可以通過對機械臂末端施力，牽引其進行大范圍的運動。德國KUKA公司開發(fā)的LWR輕型機器人借助關(guān)節(jié)力矩、位置的反饋控制可以實現(xiàn)隨人手牽引運動【8l，但該款機器人的額定負載較小(7kg)，在隨人手運動控制中未考慮負載重力的影響?，F(xiàn)有機械臂的柔性控制均針對負載較小【8】、或者空間微重力f1·41的情況，不考慮負載重力的影響。但在地面環(huán)境、負載較大的情況下，負載重力對機械臂力反饋的影響不可忽略，要利用機械臂實現(xiàn)航天器大重量設(shè)備的柔性隨動控制，必須對負載重力的影響進行補償。本文研究的機械
7、臂柔性力控方法為：在機械臂末端安裝六維力傳感器感知作用其上的力與力矩信息，通過負載重力補償算法消除負載重力的影響，得到外部作用的力／力矩信息作為輸入，控制機械臂運動，實現(xiàn)負載的柔性隨動及碰撞檢測。采用這種方法，操作者用較小的力即可控制調(diào)整大重量工件的位姿，且可以直觀地按照日常操作習慣對機械臂末端負載進行位姿調(diào)整，不易出現(xiàn)誤操作。這種方法將機械臂載重量大、運行穩(wěn)定精度高的特點，與人觀察、操作的靈活性相結(jié)合，適用于航天器復(fù)雜多變的裝配工況。2機械臂柔性力控實現(xiàn)2．1系統(tǒng)組成2014年第21期·航空制造技術(shù)147先
8、進塑監(jiān)里墜堅墮型墾豎型型盟圖1機械臂柔性力控系統(tǒng)組成不恿圖Fig．1Diagramforflexibleforcecontrolsystemonrobotarm機械臂柔性力控系統(tǒng)如圖1所示，主要由工控機、機械臂控制器、機械臂、大小2個六維力傳感器、末端執(zhí)行器、工件等組成。在該系統(tǒng)中，工控機對六維力傳感器信號進行采集與處理，根據(jù)受力信息及柔性力控算法生成機械臂運動指令，發(fā)送至機械臂控制器中，控制機械臂
