主从式焊接机器人力觉临场感技术吴威，蔡鹤皋，吴娟，林韧卒（哈尔滨工业大学）（中国人民银行 哈尔滨分行）（牡丹江大学）摘要以ＰＵＭＡ５６２作为焊接机器人建立了具有力觉临场感的主从 焊接试验系统，利用从机器人焊炬前面安装探针与焊缝接触形成的力感觉由主机器入反馈到操纵者 ，使操纵者借助于监视设备和力觉临场感来实现远距离遥控焊接。试验表明：在主从焊接系统中采 用基于腕力传感器的双向力控制技术可以很好地解决操纵者因电视监视设备受燃弧影响视觉的问题 ，使主从焊接系统在遥操作时有了“手感”，以进一步提高焊缝跟踪的准确度。关键词：焊接机器 人，主从操作，力觉临场感，双向力控制０序言主从式焊接机器人可以在特定环境下从事复杂的作 业，通常需要由操纵者亲自或利用自动化设备在人的指导下才能完成焊接任务。主从操作的焊接质 量与“从环境”信息的真实获得能力密切相关。因此，在较高层次的主从焊接系统中广泛采用双向 力反应ＢＦＡ（ＢｉｌａｔｅｒａｌＦｏｒｃｅＡｃｔｉｏｎ）控制技术［１］，使操纵者对焊接 作业的过程具有身临其境的感觉，即承担焊接任务的从机器人将现场感觉由主机器人反馈到操纵者 ，操纵者通过电视监视装置和主机器人的力感觉进行远距离焊接作业，这是全自主式焊接机器人在 目前无法实现的。主从式焊接机器人力觉临场感系统主要应用到与环境及焊件有接触的焊接作业， 由于焊缝坡口和主从焊接系统本身的非理想性，早期使用的机械联动式位置一位置控制方式下的主 从焊接系统要从事这类有接触性工作时，将不可避免地产生不希望的接触力，由于这种系统无法将 力感觉精确地反应给操纵者，致使在焊接作用时造成工件焊缝跟踪误差。如果无法得到从机器人与 环境接触的准确力信息，就很难完成与焊件有接触的焊接作业［２］。首先考虑在从机器人上安装
腕力传感器。起初的传感器还仅仅作为一种监测手段被用做操纵者进行主从焊接的动作依据，但是 随着机器人技术、计算机技术及传感技术的不断发展和完善，这种主从焊接系统的纯位置控制已不 能满足需要，还必须考虑到从机器人末端与外界焊件之间的相互作用力［３］，这样就要在主从焊 接系统中应用力控制技术，大力发展具有临场感（Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）技术的主从焊接系 统，扩大焊接机器人的作业能力具有极大的现实意义。本课题的研究工作属国防科工委“八五”计 划重大预研课题资助。１主从式焊接机器人双向力控制系统［４］目前，主从焊接机器人有三种典 型双向力反应控制方式，即位置──位置型，力──位置型和力反馈──位置型。在前两种控制方 案中，由于力控制没有闭环（在主机器人上没有力监控能力），所以操纵者不能准确地感觉到从机 器人的力／力矩，尤其当主机器人上采用机械减速方式时，力转移的能力大大降低，就是说，只有 力反馈──位置控制方式才是比较理想的控制方式，如图１所示。对于力反馈──位置控制型的主 从焊接系统，本文采用最有效，算法简便，控制周期小的ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制器各参数互相 独立，整定方便，一般通过试验的方法即可获得。考虑要求的稳态力误差信号为零，为了测量力信 号，力传感器分别安装在主机器人和从机器人的末端，其模拟ＰＩＤ控制器电压表达式为其中Ｋ（ ｍｐ）、Ｋ（ｍＩ）、Ｋ（ｍＤ）和Ｋ（ｓｐ）、Ｋ（ｓＩ）、Ｋ（ｓＤ）分别表示主机器人和从 机器人的ＰＩＤ参数，Ｆｍ和Ｆｓ分别表示主机器人和从机器人末端力／力矩传感器测量值；ｘｍ 和ｘｓ分别表示主机器人和从机器人末端位移。数字ＰＩＤ控制的算法是以模拟ＰＩＤ控制器为基 础，微计算机ＰＩＤ控制器是一种采样控制，它只能根据采样时刻所得到的数据计算控制量，为了 得到计算机可接受的离散形式，用差分代替微分，用矩形累加近似积分，由公式（１）可得：将Ｋ ＝Ｋ－１代入式（２），可得前一次采样值：用式（２）减去式（３）可得到控制量增量算法：整 理后得到：这样就得到了利用上一采样周期的控制量及前两次误差ｅ（ｋ－１），ｅ（ｋ－２）和 本次误差值ｅ（ｋ）计算本时刻控制量的递推算法。从式（５）可得到基于计算机ＰＩＤ控制器的 迭代计算公式：在力反馈一位置型主从焊接系统中，需要进行力反馈控制和位置控制两部ＰＩＤ计 算，对于力控制器，积分作用在误差较大时对消除误差作用不很显著，相反，由于力传感器噪声干 扰较大，而使控制量有较大波动，有时为了节省计算时间，也可使用ＰＤ控制，ＰＤ控制算法迭代 公式如下：２主从式焊接机器人力觉临场感试验系统当操纵者在主机器人上施加一定的作用力，主 机器人则产生运动，计算机将主机器人的运动信息传送给从机器人，使其产生相同运动，在主机器 人和从机器人上安装了腕力传感器，当从机器人末端与环境接触时腕力传感器将向计算机传送其接 触力，计算机按ＰＩＤ控制方式根据主机器人和从机器人的力差来驱动从主机器人各关节力矩电机 ，进而向操纵者施加一个大小相等（有差控制）方向相反的作用力。理论上，希望从机器人的运动 与主机器人完全一致，从机器人所感觉到的接触力与操纵者所感到的作用力完全相等，但是由于一 系列因素的影响，二者之间存在一定的误差，这时操纵者便可根据自己的感觉调整控制模型参数， 从而最终实现一致。主从式机器人力觉临场感试验系统如图２所示。在图２的试验系统中，在机器 人手臂末端对称安装力传感器，当主机器人末端施加一个很小的力，此力尚不足以克服传动装置和 电机的摩擦力和惯性力而直接使之运动，这就只有主动端力传感器感觉到这个力，并输出一个力信 号，而从动端的力信号仍为零。于是产生一个力误差，计算机按ＰＩＤ控制方式由ＰＷＭ（Ｐｕｌ ｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）驱动主机器人各电机出力，带动主机器人沿操纵者所施加 作用力的方向动作。主机器人的机械位移带动了主机器人上光电码盘，经过与尚未动作的从机器人 光电码盘加以比较，就会产生一个位置误差信号，它通过位置ＰＩＤ控制器运算后，与从机器人（ ＰＵＭＡ５６２）通讯，实时修正从机器人位置向消除位置误差的方向动作，从而形成了跟随主机 器人的运动。反之，如果在从机器人末端施加一个力（负载），则会使两个力／力矩传感器的输出 不平衡，产生的力误差信号加到主机器人力矩电机上，使操纵者在主机器人上感觉到这个加在从机 器人端的作用力。无论是主机器人部分还是从机器人部分在力传感器靠近电机一侧的所有环节中的 任何一种力（摩擦力、重力或惯性力）都只有极小一部分反映到主机器人端上来，而在力传感器另 一侧的力却能全部反映到主机器人端上。这正是我们所希望的，即在主机器人或从机器人所加的有 效运动和作用力（操纵力或负载力）都能在另一端如实地反映出来，而在主从式机器人系统中的摩 擦力和惯性的影响却被大部分消除了［５］。３主从式焊接机器人双向力反应操纵试验及结果分析 本文为了正确评价主从焊接系统的性能，对双向力反应进行了大量的保真度测试，可以很好地反映 操纵者和从机器人对焊件作用力的一致程度。在主机器人与从机器人的力控制中有多种不同的力比 可供选择，以适应不同的操纵者，对于从事长时间焊接作业，使用较小的力比，可以减轻操纵者的 疲劳程度。在主从焊接系统中，系统刚性直接影响双向力反应保真度，加强整个主从焊接系统的连 接刚性，对提高力反应保真度十分重要，试验分别记录出不同力比及不同控制方法的双力反应保真 试验曲线，如图３所示。由图３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）可见主机器人和从机器人力反应有迟滞性 ，这是由于有部分摩擦力没有被消除，这种迟滞性在ＰＩＤ控制中反应尤为突出。因为积分项参数 Ｋ１可以提高系统消除稳态误差的能力。由试验可以看到，在ＰＩＤ控制可获得主机器人与从机器 人之间力的线性关系。比例项参数增大可以提高主从焊接系统的响应速度，减小稳态误差，但会增 加超调和振荡次数，系统稳定性下降。微分项参数的适当选择可以改善系统的动态特性，提高响应 速度，但无论Ｋｄ过大还是过小，都会使系统超调较大，调节时间较长。增大迟滞性。此外，在力 反馈一位置型主从焊接系统的ＰＩＤ控制中弥补是有限的。本文对于主从式机器人进行焊接跟踪试 验，其双向力反应基本一致，如图４所示。由图４可见对于力反馈一位置型控制方式，则是一种很 理想的双向力反应伺服系统，力的闭环控制使主从焊接机器人之间的机构摩擦力和惯性力不能反映 在主机器人上，这对于主从焊接的精细操作是十分必要的。４结论本文对所建立的主从式焊接机器 人力觉临场感系统进行大量燃弧焊接试验，用以研究该系统在焊接作业中力控制问题。在主从操纵 过程中，距离是由主机器人到从机器人，力则由从机器人（ＰＵＭＡ５６２）到操纵者。采用两个 腕力传感器实现力反馈─—位置控制方式，有效地减小了摩擦力和惯性力对系统的影响，提高了双 向力反应的保真度，使操纵者再现了主从焊接的动力行为。参考文献｜｜１ＭａｓｏｎＭＴ．ｃｏ ｍｌｉａｎｃｅａｎｄＦｏｒｃｅＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．ｉｎＰｒｏｃ．ｏｆＴＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｓｙｓｔ ｅｍ，ＭａｎａｎｄＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，Ｊｕｎｅ，１９８１，４１８～４３２２Ｒａｉｍ ｏｎｄｉＴ．ＲｅｍｏｔｅＨａｎｄｉｎｇｉｎｔｈｅＪｏｉｎｔＥｕｒｏｐｅａｎＴｏｎｕｓＦ ｕｓｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｎＰｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ２４ｔｈＣｏｎｆ．ｏｎＲｅｍｏ ｔｅＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈ，１９７６，１８８～１９０３ＨａｒｎａｆｏｒｄＢａｎｄＡｎｄｅ ｒｓｏｎＲ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｉｅｓｏｆＨａｒ ｄＣｏｎｔａｃｔｉｎＦｏｒｃｅＲｅｔｌｅｃｔｉｎｇＴｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｉｎＰｒｏｃ．ｏｆＩＥＥＥＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｒｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９８８，５８４～５８９４ＹｏｋｏｋｏｊｉＹａｎｄＹｏｓｈｉｋａｗａＴ．，ＢｉｌａｔｅｒａｌＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭａｓｔｅｒ－ＳｌａｖｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｆｏｒＩｄｅａ
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