本次力觉示教控制算法仿真验证依托于Adams机械仿真分析,在软件中建立IRB2600机器人模型,并对该模型添加合适的外部载荷(力传感器所感知的作用力/力矩)。

在载荷模型选项栏选择单向力,对模型进行单向力参数设置,如图7-19所示,输入10 N的力,同时在图形区域选择工具作用点(执行工具重心点)和力的方向(x轴的负方向)。机器人各关节是由转动副连接,那么需要设置关节驱动函数,假设工具自身质量为5 kg,由上文关于操作空间和关节空间推导的控制算法,可以得到t=0～10 s内关节转角变量,如图7-20所示,完成驱动函数的设置。

图7-19　设置单向力信息

图7-20　设置驱动参数

各项参数设置好以后,单击仿真按钮,后处理得到末端工具TCP点的位置、速度和驱动关节转动角速度,如图7-21～图7-23所示。

由于是单向力验证,可以从图7-21中看出执行工具受x轴单向力的牵引在x轴负方向移动,在y、z轴方向几乎没有变化,从而证明位置变化与外力方向的一致性;从图7-22中得出,末端工具沿x轴方向的速度随时间呈现递增趋势,y轴方向的速度呈小范围波动,z轴速度为0,速度变化也与受力方向保持一致;由图7-23可以看出,驱动关节的角速度变化,大臂逆时针旋转,角速度为正值,臂肘和腕摆顺时针旋转,角速度为负值,与设想力控制相吻合。

图7-21　工具位置变化曲线图

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图7-22　工具速度变化曲线图

图7-23　各关节、转动角速度变化曲线图

同理,对力矩进行同样设置,在载荷模型选项栏选择单向力矩,设力矩输入值为0.5 N·m,接下来在图形区域选择工具作用点(执行工具重心点)和力矩的方向(绕z轴的负方向),设置关节驱动函数。仿真运行结束,后处理得到末端工具TCP点的位置、速度和驱动关节转动角速度,如图7-24～图7-26所示。

图7-24　受力矩作用的工具位置变化曲线图

图7-25　受力矩作用的工具角速度变化曲线图

经过仿真分析可以从图7-24～图7-26中得出以下结论:本次实验是绕z轴负方向施加力矩,故执行工具末端位置在z轴方向保持不变,x、y轴方向有略微变化;可以明显看出工具角速度在z轴负方向随时间递增,x、y轴方向速度为零,和预测外力矩所引起的变化相吻合;各关节速度变化曲线很直观地显示了关节角速度随时间变化的趋势,大臂数值为正,逆时针旋转,其他两关节轴数值为负,顺时针旋转,和预计运动变化相一致。因此,该运动控制算法对于机器人示教有一定的参考价值。

图7-26　受力矩作用的各关节角速度变化曲线图