面向人机交互的七自由度服务机械臂柔顺控制研究

1.1 课题研究背景 

  本课题来源于江苏省自然科学基金青年项目（No.BK20170898），旨在研制一台具有柔顺控制的七自由度冗余机械臂样机，在七自由度机械臂的基础上通过简单的改造，并引用经典的柔顺控制方法并加以改善，从而提高七自由度机械臂在人机交互过程中的安全性和柔顺性能，以实现稳定的七自由度机械臂控制，并且拥有应对不同环境的调整能力，力求在一定程度上辅助人类进行交互。2019 年，随着《机器人产业发展规划(2016—2020 年）》、《智能制造发展规划（2016—2020年）》和《新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020 年）》三大机器人优惠政策的实施，对机器人智能化升级改造需求日渐提高，预计我国工业机器人的新装机量将保持快速增长趋势。与此同时，受人口老龄化、家政、医疗、教育和公共安全持续需求影响，人机协作技术的研究正在不断深入，未来我国服务机器人市场潜力巨大[1]。 中国服务机器人市场规模正在迅速扩大。中国电子学会估计，2018 年中国服务机器人市场将达到 18.4 亿美元，同比增长约 43.9％，高于全球服务机器人市场的增长率。 随着送餐、停车、超市、餐饮等机器人应用场景的不断挖掘和快速发展，传统产业已开始积极寻求与新兴技术的融合，预计 2020 年，我国服务机器人市场规模将突破 40 亿美元。 机器人产业报告数据显示，全球机器人市场规模增长势头明显，服务机器人市场迅速发展，工业和特种机器人发展速度保持平稳。2018 年，全球机器人市场规模将达到 298.2 亿美元，近五年机器人市场规模的平均增长率约为 15.1%。其中，工业机器人市场规模为 168.2亿美元，服务机器人市场规模为 92.5 亿美元，特种机器人市场规模为 37.5 亿美元，占比分别为 56%、31%、13%，如图 1.1(a)和 1.1(b)所示。 

  为了实现七自由度机械臂的柔顺控制，需要统筹协调机械臂的各个模块，确定整体的系统框架。本章对机械臂进行坐标系建模，获取机械臂的精确 D-H 参数，使用六维力传感器测量机械臂与环境的接触力，并对其进行滤波、坐标系变换和重力补偿。最后在传感与控制策略两个方面对机械臂柔顺控制系统设计确定设计目标。 

2.1 机械臂硬件系统设计 

  实验室机械臂为七自由度的机械臂，七自由度机械臂硬件系统架构由多个模块构成，包括：PC 电脑模块、控制算法模块、力采集模块、通信模块等，如图 2.1 所示，具体包含机械臂本体、USBCAN 通信器、末端六轴力传感器、伺服电机、编码器、减速器、电机驱动器和上位机控制软件。 整个机械臂系统的核心控制控制部分为上位机软件，通过 CAN/串口与其他组件通信，通过相应的控制算法来控制各部分组件发挥作用，控制算法接收力传感器数据和 CAN 网络的数据，协调七自由度机械臂完成复杂的工作任务；PC 机通过 USBCAN 与机械臂连接，通讯协议为 CanOpen 协议；机械臂与 36V 直流电源连接，并通过电机驱动器对伺服电机进行控制，驱动器通过编码器将当前的位置数据传给 PC 机，驱动器计算期望电机转角和实际电机转角的差值来控制电机的运动；力传感器模块与电脑的通讯协议为串口协议，可以得到三轴力和三轴力矩信息，即机械臂执行器末端与环境的接触时的力和力矩信息。