摘要
在“工业4.0”和“中国制造2025”的发展背景下，机器人协助工人完成生产任务逐渐成为现实，人机协作研究成为了机器人领域新的研究分支。具有人机协作功能的协作机器人与传统机器人有很大的不同，协作机器人可以和人工作在同一工作空间中。协作机器人不需要操作者熟练掌握编程技术，操作者可以拖动机器人完成示教，进而完成装配等任务。但是操作者拖动机器人时不能保证装配件之间完全配合上，因此协作机器人的柔顺性也非常重要。 首先，本文采用基于力矩补偿的零力控制来实现协作机器人的拖动示教，建立准确的协作机器人动力学模型是力控的基础。为了便于编程和辨识，将其数学表达式写成最小参数集的形式。然后通过分步辨识的方法获得协作机器人真实的动力学参数，得到机器人关节力矩与关节位置、速度和加速度之间的关系。实时对机器人受到的惯性力、科氏力和重力进行补偿，同时也对负载产生的力/力矩进行了补偿。为了提高机器人力控的精度，本文还对机器人关节的摩擦力进行二次补偿。本文提出了两种机器人轨迹复现的方法，一是“点位模式”的轨迹复现，并讨论了其避奇异的问题；二是“连续轨迹模式”的轨迹复现，并采用Savitzky-Golay平滑器对记录的轨迹进行平滑处理以减小机器人振动。 然后，为了实现协作机器人的柔顺性，本文采用主动柔顺控制方法。本文建立了机器人和环境统一的阻抗模型，提出了两种机器人所受外力矩的观测方法，一种是基于广义动量的机器人外力矩观测，另外一种是基于动力学辨识的外力矩观测，并采用卡尔曼滤波提高了力矩观测的精度。基于此提出了一种主动柔顺控制方法，该柔顺控制方法无需安装外部力/力矩传感器即可实现机器人对外部环境的柔顺性。 最后，将该柔顺控制方法运用到轴孔装配，对轴孔装配进行了几何分析和受力分析，并提出了装配优化策略。本文还对搭建的实验平台进行了详细的描述，对装配过程中的位姿和力变化情况进行了分析。装配过程中轴孔之间的接触力较小，位姿调整非常平稳，充分证明本文提出的主动柔顺控制算法和装配策略的有效性。
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