在精密的機(jī)器人制造工藝中，超精加工操作，如倒角和圓角的特點(diǎn)是相對(duì)低的接觸力和低材料去除。對(duì)于這種工藝，傳統(tǒng)的自動(dòng)化方法，如預(yù)先編程的位置或力控制，沒(méi)有調(diào)整，不適合獲得高精度的表面精加工。因此，拋光工作仍主要由熟練的操作人員手工完成。

在該研究中，研究者提出了一個(gè)自適應(yīng)框架，能夠拋光廣泛的材料，包括硬金屬如鈦使用協(xié)作機(jī)器人。研究者提出了一種基于阻抗控制的迭代學(xué)習(xí)控制器，在每次迭代中同時(shí)調(diào)整位置和力來(lái)調(diào)節(jié)拋光過(guò)程。所提出的控制器可以跟蹤所需的輪廓，而無(wú)需任何拋光不同材料所需的力的先驗(yàn)知識(shí)。

此外，研究者提出了一種新的基于Lissajous曲線的復(fù)雜圓角刀具軌跡生成數(shù)學(xué)模型。在完成任務(wù)如倒角和切片使用一個(gè)協(xié)作工業(yè)機(jī)器人來(lái)驗(yàn)證新的框架進(jìn)行了試驗(yàn)。表面粗糙度和輪廓測(cè)量表明，研究者的自適應(yīng)控制器可以獲得良好的拋光輸出在各種材料，如鈦，鋁，木材。本文以“An adaptive framework for robotic polishing based on impedance control”為題于2020年11月20日發(fā)布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》雜志上。

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研究背景與實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人的研究在噴漆、碼垛和焊接等工業(yè)應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。由于末端執(zhí)行器與環(huán)境的交互作用可以忽略，這些任務(wù)可以使用簡(jiǎn)單的基于位置或基于力的控制策略來(lái)執(zhí)行。盡管機(jī)器人技術(shù)有許多進(jìn)步，但涉及與人類擅長(zhǎng)的環(huán)境進(jìn)行物理交互的任務(wù)對(duì)機(jī)器人自主執(zhí)行具有內(nèi)在的挑戰(zhàn)。

人類操作者為補(bǔ)償不穩(wěn)定性而表現(xiàn)出的微妙的位置和力適應(yīng)不能僅通過(guò)預(yù)先編程的位置或力控制策略來(lái)捕捉。因此，行業(yè)中占總制造時(shí)間50%的拋光任務(wù)仍然主要依賴于熟練操作人員。盡管有增長(zhǎng)，機(jī)器人整理占目前的機(jī)器人應(yīng)用不到1%。

這是由于幾個(gè)因素，例如機(jī)器人金屬加工在表面光潔度、精度上仍不如手工操作，以及機(jī)器人本身的編程困難。當(dāng)涉及到中小企業(yè)(SME)時(shí)，這些問(wèn)題更加惡化，因?yàn)樗麄兲幚淼母呋旌系团苛慵?。用于拋光的機(jī)器人在執(zhí)行過(guò)程中需要高度的依從性來(lái)控制最終的輸出。因此，需要一種自適應(yīng)交互控制來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的輪廓幾何和表面粗糙度，這可以通過(guò)特殊的順應(yīng)工具(如宏-微系統(tǒng))或基于控制算法的順應(yīng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在使用特殊順從工具的交互控制中，末端執(zhí)行器通常可以補(bǔ)償不同軸上的力誤差。柔性工具可以是被動(dòng)的，也可以是主動(dòng)工具，以保持所需的接觸力。被動(dòng)柔性工具通常依靠工具本身的順應(yīng)性來(lái)維持法向接觸力，而主動(dòng)柔性工具則依靠閉環(huán)力控制系統(tǒng)來(lái)修正力的誤差。

此外，刀具的過(guò)度順應(yīng)性將降低拋光期間的剛度，并使輪廓跟蹤的準(zhǔn)確性降低。為了使用控制算法實(shí)現(xiàn)交互任務(wù)，通常會(huì)部署混合位置和力控制器或阻抗控制器。在表面精加工的混合位置和力控制中，位置通常沿表面調(diào)節(jié)，而力通常在法向控制。機(jī)械手的力控制策略和混合位置和力控制已廣泛應(yīng)用于包括去毛刺、拋光和磨削在內(nèi)的精加工過(guò)程。

倒角是一種精整操作，其鋒利的邊緣通常以45°的角度傾斜到兩個(gè)相鄰的直角面。為了獲得倒角的工具路徑，在研究者的框架內(nèi)，人類操作人員以低阻抗(高順應(yīng)性)模式(即剛度值低至1N/m，而最大可達(dá)值高達(dá)5000 N/m)動(dòng)態(tài)地教導(dǎo)機(jī)器人。利用操作者從運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中得到的倒角和機(jī)器人姿態(tài)的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，用用戶指定的倒角深度線性插值生成參考軌跡，如圖所示。

圖為不同的工具在旋轉(zhuǎn)中的姿態(tài)(a)在邊緣，(b)X‘y’面，和(c)Y‘Z’臉

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有關(guān)機(jī)器人到達(dá)任何特定點(diǎn)的實(shí)際位置、力和方向的反饋信息被記錄下來(lái)并存儲(chǔ)在分析中。在每次迭代結(jié)束時(shí)，將控制器得到的實(shí)際軌跡與方程中的參考軌跡進(jìn)行比較。這種增量式軌跡調(diào)整是為了確保在不損壞工件的情況下，按照期望的輪廓和增量力調(diào)整完成精整操作。此外，由于通過(guò)迭代反饋進(jìn)行錯(cuò)誤校正，循環(huán)也減少了以后的返工量。

研究者使用相同的臂端工具在鋁加工優(yōu)惠券中進(jìn)行倒角試驗(yàn)，并觀察到與鈦試驗(yàn)相同的控制行為。經(jīng)過(guò)輸入命令和研究裝置的工作發(fā)現(xiàn)，13次通過(guò)后，位置誤差不再明顯減小，達(dá)到絕對(duì)誤差圖所示的飽和點(diǎn)。與鈦的試驗(yàn)相比，鋁含量相對(duì)較低。因此，在每次迭代中觀察到的平均力往往比圖中描述的鈦試驗(yàn)期間觀察到的平均力要低。由于鋁的硬度比鈦低得多，機(jī)器人的實(shí)際軌跡在初始迭代時(shí)能夠相對(duì)較快地接近期望的參考軌跡，從而使機(jī)器人在后一次通過(guò)時(shí)的力較低。 設(shè)計(jì)性能大大增強(qiáng)！