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第卷第】期机械工程学报。№
年月.
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机器人力控制系统稳定性分析及
振动抑制
戴铁成蔡鹤皋吴林
哈尔滨工业大学

摘要利用动力学方程对普通机器人和/组合式机器人两种力控制系
统的稳定性进行了分析,分析表明后者更稳定。由于机器人结构动态和力传感器动态的
影响, 组合式机器人在高频时存在着共振与反共振, 为了提高系统的高额性能,提出了一种优
化粘性阻尼系数的方法,结果表明,当驱动力为. 时,采用此方法可以使机器人与环境的接
触力的变化范围由.~ 减小为.~.。, .
叙调: 机器人力传感器动力学稳定性振动
. 古墼《墨,绩,
前言
许多机器人作业要求机器人末端与其周围环境发生接触,例如机械制造业中的装配和抛
光等作业,但是由于存在着各种随机误差, 有时会产生很大的接触力。为了不使机器人或工
件被破坏,就必须对机器人与周围环境之间的接触力进行控制。
近年来, 机器人力控制已成为机器人研究领域中的一个重要方面,并且取得了很大的成
就。随着机器人力控制系统的出现, 稳定性问题随之而来文献发现在它们的力/位
置混合控制系统中存在着振荡,在实验室使用的力控制机器人上,也观察到了不稳
定”。为了提高机器人的响应速度和定位精度, 同时保持机器人大作业空间的优点,又出现
了/组台式机器人系统,这种系统也存在着稳定性『可题。影响力控制系统稳
定性的因素很多,如低采样频率、接触冲击力、手臂柔性和力传感器动力学特性等,本文将
讨论机器人本身结构动力学对其力控铝系统稳定性的影响,同时本文还将对
组合式机器人系统的振动问题加以研究。
机器人力控制系统稳定性分析
在实际的机器人力控制系统中,机器人末端通过力传感器与外部环境发生接触, 由力传
感器测得的力信号直接反馈给机器人控崩器,并形成机器人末端位置的调整信号。为了分析
方便,这里只考虑机器人的最后一个关节,系统模童可以简化为囤。图中表示蕊动
●
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扎擅工程学报第卷
力,为关节的牯性阻尼系数,它与。一起描述了机器人关节的动力学特性机器人的结构
动力学特性由粘性阻尼系数刚度系数。和质量决定,力传感器粘性阻尼系数”刚度
系数.。实际各参数值如下:


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·/ 一
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图单轴机器人秉统动力学模型
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对于自由度系统,其动方程为
寺蔷一罟●。
式中—
——系统动能总和
——系统势能总和
一广义位置坐标
——广义速度
广一广义力
将图中的各参数代入式,并取变换得
描。。。。
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式中‘加。。十, 。· .一±
力传感器输出凡
. 々.±
控制器采用比例控制律
,—
式中期望接触力
,——系统增益
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根据式~ 可以做出机器人力控制系统的
根轨迹如图。从图中可以看到,当系统增
————赛轴冠
益较小时, 系统是稳定的随着系统增’益,的
一
增大,根轨迹趋向右半平面当,/.时, . .
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系统将不稳定。