气电混合式机器人力控末端执行器研究*

赵亚平，杨桂林，杨 巍，陈庆盈，张 杰

(1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所 浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室，浙江 宁波 315201)

气电混合式机器人力控末端执行器研究*

赵亚平1,2，杨桂林2，杨 巍2，陈庆盈2，张 杰2

(1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所 浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室，浙江 宁波 315201)

针对现有机器人末端力控装置存在的力控制精度低、响应速度慢的缺点，设计了一种气电混合式的机器人力控末端执行器。气电混合式机器人力控末端执行器主要由气囊式气缸和音圈电机组成，并按照并联方式连接。气囊式气缸两端分别与音圈电机的定子和动子连接，并置于音圈电机内部。该结构不仅利用了气囊式气缸承载能力大、缓和冲击能力强的特点，同时也利用了音圈电机的快速响应特性进行快速力补偿。为了进一步提高系统的响应速度和力控精度，提出了用PI控制器调节音圈电机的电流。最后，采用了Matlab/Simulink对提出的控制方案进行仿真实验，结果表明，所设计的气电混合式机器人力控末端执行器力控制精度高、力控稳定性好、响应速度快。

气电混合；力控制；末端执行器；仿真分析

0 引言

在自动化精密制造过程中，对工件表面进行抛光打磨等接触性处理是最基础的一道工序[1]。为了提高表面加工质量，在对工件进行打磨、抛光等处理时，需控制刀具或磨具与被加工工件之间的接触力。

目前用于研抛光整等加工的机械臂主要采用两种方式来实现加工过程中的力控制。一种是通过控制机器人操作臂的驱动关节的力矩来控制机械臂末端的输出力[2]，这种力控制方式比较复杂，需针对具体的机器人结构建立准确的机器人动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法[3]，且机械臂运动过程中的惯性易导致力控制不精确，从而使导致抛光打磨等加工的精度远远达不到工艺要求。

另一种力控制方式是在机械臂末端安装末端力控装置[3]，这种力控制方式原理简单且实现成本低，不依赖于机械臂，具有很好的通用性，且易实现较高的控制精度和良好的动态响应，因此被广泛采用。美国德州PushCorp公司设计的AFD系列柔顺力控制机构[4](如图1a所示)、奥地利FerRobotics设计的柔顺力控装置、ATI工业自动化公司设计的ACT390柔顺力控制机构(如图1b所示)等[5]都是通过调节气缸内充气压力实现输出力控制，浙江工业大学的金明生等人也提出了利用气囊实现抛光力柔顺控制的设计方案[6]。

(a)AFD70力控末端执行器 (b)ACT390力控末端执行器

如上所述，针对力控末端执行器的研究主要集中在采用气缸、气动人工肌肉或气囊式气缸等来实现刚度可调的主动柔顺力控制，但是由于气动系统灵活度不高、响应速度慢、存在严重的迟滞[7-9]，因而不利于高效作业，也达不到精密加工的需求。

针对气动力控末端执行器存在的上述各种问题，本文提出了一种新型的气电混合式机器人力控末端执行器，所设计的气电混合式机器人力控末端执行器采用气囊式气缸(以下简称气囊)与音圈电机并联的方式，利用了气体的可压缩性所带来的抗冲击特性减少接触式加工中的冲击，同时结合音圈电机的快速响应特性[10]，实现打磨抛光等工作时的快速精确力控制。

1 系统设计

1.1 方案设计

本文所设计的气电混合式机器人力控末端执行器简图如图2所示。

图2 气电混合式力控末端执行器受力分析

安装于末端执行器末端的打磨工具同时受气囊压力、音圈电机输出力、沿末端执行器伸缩方向的摩擦力、惯性力及与被加工表面之间的接触力等力的共同作用。

1.2 结构设计

本文所设计的气电混合式力控末端执行器的目标力控制范围为0～200N，伸缩行程为20mm，据此确定力控末端执行器的主要参数如表1所示。

表1 气电混合式机器人力控末端执行器主要参数

气电混合式机器人力控末端执行器的结构设计如图3所示。

(a)力控末端执行器外观 (b)力控末端执行器内部结构

其中，气囊只有一个进出气口，从而可以使气囊在给定充气压力后伸缩输出一定推力。在利用该装置进行打磨、抛光等工作之前，首先通过调整减压阀来控制气囊初始充气压力，随后关闭开关阀，使气囊成为一个密闭的减震机构；然后音圈电机通电，通过安装于伸出端的力传感器，将检测到的接触力信号反馈给音圈电机控制器，由音圈电机对接触力的差值进行实时补偿，最终实现对接触力的快速、精确、稳定地控制。

2 气囊输出力控制系统

2.1 气囊输出力影响因素分析

由于气囊具有一定的可压缩性，气囊初始充气压力P0(bar)不同，或气囊压缩量x(mm)不同，气囊输出力F气囊(N)就不同。FS22-3DICR气囊的输出力与气囊初始充气压力和气囊压缩量之间的关系如图4[10]所示。

图4 气囊FS22-3 DI CR输出力随气囊充气压力及气囊高度变化曲线

由图4可以看出，在其他条件不变的情况下气囊的输出力随气囊被压缩量或气囊充气压力的增大而增大。为便于计算与分析，利用Matlab对上图中的曲线进行拟合。综合考虑降低方程复杂程度和提高拟合精度两方面，得出以下气囊输出力的公式：

F气囊=-19.77x+279.6P0+0.5786x2-10.23xP0

(1)

上述所拟合方程与实际值的复相关系数为0.9993，误差平方和为0.01097，满足拟合精度要求。

2.2 气囊响应速度分析

根据本文研究的气电混合式机器人力控末端执行器的技术路线，设计气囊的气路控制系统如图5所示。

图5 气囊气路控制系统

为分析气囊力控制的响应速度，假设控制气囊输出力由100N增加至150N，即气囊充气压力(相对压力)由0.374bar增加为0.553bar，由系统建模仿真软件Amesim对气囊的输出力进行仿真，得出气囊输出力变化曲线如图6。

图6 气囊输出力变化曲线

由图6可知，对气囊输出力进行控制响应速度慢(此处约大于0.5s)，同时由于在实际应用中对气压的调节难以达到很高的精确性，导致采用控制气囊充气压力控制输出力的方式达不到精密加工的要求。

3 音圈电机动态力补偿系统

3.1 音圈电机工作原理

音圈电机是一种特殊形式的直驱电机，主要由定子和动子两部分组成，如图7所示，定子上装有产生磁通的永磁体，动子是一个圆筒状绕组。其工作原理为通电线圈放在磁场内受洛伦兹力作用产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。音圈电机结构简单、体积小、响应快[11-12]，被广泛应用到各种精密运动的控制机构中。

图7 音圈电机结构运动原理图

音圈电机输出力表达式为：

F电机=nBIl=KFI

(2)

根据对音圈电机力常数的要求(KF=110N/m)，选择磁钢材料为N48H，线圈圈数n=360。

根据基尔霍夫电压定律得：

(3)

其中，Blx′是反电动势，由于所设计的力控末端执行器在实际应用时，x′很小，本文分析中将之忽略不计，根据此处设计的音圈电机的尺寸，L取3mH，R取15Ω。对式(2)、(3)进行拉氏变换后，得：

(4)

其中：n：磁场内通电线圈匝数；

B: 磁场强度;

I：线圈电流;

l：磁场中导线长度。

基于音圈电机响应速度快、控制精确度高且工作原理简单的优点，本文设计的气电混合式力控末端执行器采用音圈电机在力控制过程中进行快速精确地补偿，以期望能够实现末端执行器的快速精确的力控制。

3.2 音圈电机控制器设计

音圈电机动态力补偿系统包括音圈电机及安装于伸出杆末端的力传感器。

在力控制过程中，由于气囊输出力随末端执行器伸缩位移发生变化，且安装于末端执行器的刀具和末端执行器可移动部件运动需克服惯性力(摩擦力Ff较小，暂时不考虑摩擦力)，因此末端执行器的实际输出接触力为：

F测量值=F气囊+F电机-mx″

(7)

当安装于切削工具末端的传感器检测到刀具(磨具)与被加工工件之间的接触力后，将之回馈给控制器；接着，控制器对比检测到的实际接触力和设定值，计算出需补偿的接触力大小：

ΔF=F期望值-F测量值

(5)

最后，控制器发出控制信号并将信号反馈给音圈电机驱动器，通过控制音圈电机的线圈的输入电流控制音圈电机的输出力，实现对接触力的实时补偿，即：

ΔF电机=F期望值-F测量值

(8)

力控制过程如图8所示。

图8 基于音圈电机的力控制系统原理图

在工程实际应用中，由于PI控制具有算法简单、鲁棒性好及可靠性高等优点，从而使它在运动控制和过程控制中得到广泛的运用。根据上述力控制系统原理图，结合PI控制器，构造出如图9所示的力控制系统。

图9 控制系统的Simulink仿真框图

在图9中，被加工工件表面形貌直接影响到气囊输出力及运动部件需克服的惯性力，从而造成力控末端执行器的实际输出接触力的变化。以期望接触力与实际接触力的偏差为输入，采用PI控制器控制音圈电机的输入电压，从而控制音圈电机的输出力，最终实现对力控末端执行器输出接触力的快速精确控制。

4 气电混合式机器人力控末端执行器仿真分析

为了检验本文设计的力控末端执行器力控制的响应速度、稳定性及准确性，下面对其输出力进行仿真分析。

假设打磨如下表面，目标是使末端刀具与被加工表面之间始终保持100N的接触力。

图10 被加工表面形状

4.1 力控制的响应速度分析

开始加工时，调节末端刀具与被加工表面之间的初始接触力至设定值，可采用以下两种方式：一种是通过调节调压阀控制气囊充气压力，使其输出力达到接触力设定值，即利用气囊进行力控制；另一种是在调节气囊充气压力的同时，利用音圈电机进行实时力补偿，即用气电混合式力控末端执行器进行力控制。

用Matlab/Simulink进行仿真分析，结果如图11所示。

图11 用Matlab/Simulink进行仿真分析后的结果

由仿真结果可知，采用音圈电机在打磨抛光过程中进行力补偿，能够将力控制的响应时间提高至0.3s，且力控精度较之于用气囊进行力控制也得到了较大的提高。

4.2 力控制的稳定性分析

在对曲面进行打磨抛光的力控制时，为使力控制稳态误差保持在10%之内，不断调节控制系统中PI控制器的参数并用Matlab/Simulink进行仿真分析。当KP=4，KI=15时，力控末端执行器和被加工表面之间的实际接触力如图12所示。

图12 力控末端执行器与被加工表面的实际接触力

从仿真结果中可看出，采用音圈电机在气电混合式机器人力控末端执行器中进行力补偿，同时添加合适的PI控制器，可使其力控制的稳态误差降低至只有±2%。

5 结论

本文针对现有气动力控末端执行器存在的力控制精度低、响应速度慢的缺陷，设计了一种气电混合式的机器人力控末端执行器。在进行了结构设计及控制器设计的基础上，利用Matlab/Simulink对气电混合式机器人力控末端执行器的输出力进行了仿真分析。分析结果表明，通过调整音圈电机控制器的相关参数，本文所设计的气电混合式机器人力控末端执行器①响应速度可以由0.5s以上提高至0.3s；②力控制稳态误差降低至只有±2%。本文所研究的内容为下一步制作气电混合式机器人力控末端执行器，并将之用于实际表面接触式处理的力控制提供了理论基础。

[1]ErlbacherEA.Forcecontrolbasics[J].IndustrialRobotAnInternationalJournal, 2000, 27(1):20-29.

[2] 朱兴华,莫小栋,王晓峰,等.工业机器人在铝铸件毛刺去除中应用研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2014(10):124-126.

[3] 杨桂林. 工业机器人运用技术[J]. 中国科学院院刊,2015,30(6):785-792.

[4]EdwinA,ErlbacherDallasTex.MethodForApplyingConstantForceWithNonlinearFeedbackControlAndConstantForceDeviceUsingSame[P].US:US005448146A, 1995-09-09.

[5] 杨武松. 微小研抛机器人气动柔顺控制系统研究[D].长春:吉林大学,2008.

[6] 金明生. 模具自由曲面气囊抛光机理及工艺研究[D]. 杭州:浙江工业大学,2009.

[7] 高红星,池茂儒,朱旻昊. 空气弹簧模型研究[J]. 机械工程学报, 2015,51(4):108-115.

[8]LöckenF,WelschM.TheDynamicCharacteristicandHysteresisEffectofanAirSpring[J].InternationalJournalofAppliedMechanics&Engineering, 2015, 20(1):127-145.

[9]LiaoL,XiFJ,LiuK,etal.AdaptiveControlofPressureTrackingforPolishingProcess[J].JournalofManufacturingScience&Engineering, 2010, 132(1):165-174.

[10]ReddyRG,DevorRE,KapoorSG,etal.Amechanisticmodel-basedforce-feedbackschemeforvoice-coilactuatedradialcontourturning[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture, 2001, 41(8):1131-1147.

[11] 冯晓梅,李立顺,李红勋,等. 直线音圈电机特性研究[J]. 微特电机, 2014(12): 38-40.

[12]BanikR,GweonDG.Designandoptimizationofvoicecoilmotorforapplicationinactivevibrationisolation[C]//InternationalConferenceonElectrical&ComputerEngineering.ELSEVIER, 2007:236-243.

(编辑 李秀敏)

Research on a Pneumoelectric Robotic End-effector with Force Control

ZHAOYa-ping1,2,YANGGui-lin2,YANGWei2,CHENQing-ying2,ZHANGJie2

(1.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.ZhejiangKeyLaboratoryofRoboticandIntelligentManufacturingEquipmentTechnology,NingboInstituteofMaterialTechnologyandEngineering,ChineseAcademyofScience,NingboZhejiang315201,China)

Toovercomethedrawbacksoftheexistingforce-controlledroboticend-effectors,suchaslowdynamicresponseandlowforcecontrolaccuracy,anovelpneumoelectric-drivenforce-controlledroboticend-effectorhasbeenpresentedinthispaper.Thenewend-effectormainlyconsistsofaGasbag-basedPneumaticCylinder(GPC)andaVoiceCoilMotor(VCM)whichareconnectedinparallel.Furthermore,themountingbaseandtheoutputflangeoftheGPCarefixedwiththestatorandthemovingcoiloftheVCM,respectively.Inordertohaveacompactdesign,theGPCisplacedintothehollowstructureoftheVCM.TheinnovativecombinationofaGPCandaVCMcansustainhighload,reduceshockandvibration,improvedynamicresponse,andachievehighforcecontrolaccuracyforcontacttypeoperations.Basedonthesystemdynamics,aPIcontrollerisproposedforforcecontrol.Tovalidatetheproposedcontrolscheme,computersimulationsusingMatlab/Simulinkhavebeenconducted.Simulationresultsindicatethatthepneumoelectricroboticend-effectorcancontrolthecontactforceprecisely,steadilyandquickly.

pneumoelectricdriven;forcecontrol;end-effector;simulation

1001-2265(2016)12-0103-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.028

2016-01-11；

2016-02-17

宁波市重大攻关项目(2013B10045)；宁波市“3315计划”高端创新团队项目

赵亚平(1991—)，女，山东聊城人，上海大学硕士研究生，研究方向为机器人力控末端执行器设计，(E-mail)zhaoyapingyes@163.com；通讯作者：杨桂林(1965—)，男，浙江宁波人，中国科学院宁波材料技术与工程研究所高级研究员，博导，博士，研究方向为先进机器人技术，(E-mail)glyang@nimte.ac.cn。

TH166;TG

A