摘 要

随着机器人控制技术的发展及其应用功能的不断增加，机器人在工业领域承担的任务越来越复杂多样，如打磨作业、孔轴装配等任务。而这一切复杂的任务对机器人的位置控制与力控制的要求都比较高，甚至还需要同时控制位置和力。本论文就是在此背景上，对面向机器人孔轴装配的控制方法进行研究。

本论文主要工作有以下几点：

首先基于UR5机器人对机器人的运动学和动力学进行研究。其中包含了机器人正运动学的建模和逆运动学的求解，以及动力学中的拉格朗日方程的简单推导。这些基础理论的研究可以更利于对机器人控制方法进行研究。

然后对机器人中的阻抗控制进行研究分析。其中对两种阻抗控制的实现方法进行了分析比较，基于阻抗控制的实现方法在Simulink上搭建了基于位置的阻抗控制模型并进行仿真。从数学模型上验证了基于位置的阻抗控制的可行性与有效性。

接着，结合V-REP中机器人插孔时的接触状态，利用CAD软件，绘制出孔轴装配任务时孔与轴的平面图，并对孔轴之间的受力与姿态进行分析，最终建立起二者的关系。为插孔操作仿真的控制算法确定理论基础。

最后通过MATLAB和V-REP的联合，实现机器人孔轴装配中的插孔操作仿真，验证了控制算法和物理仿真模型的有效性与准确性，对面向孔轴装配的机器人控制研究的实现了成功应用。

本论文通过在两个不同平台上进行的仿真，即Simulink的数学模型仿真和V-REP的物理模型仿真，对阻抗控制的实现将有更深入和更直观的研究与分析。

关键词：阻抗控制；孔轴装配；插孔仿真；力位控制

Abstract

With the development of robot control technology and the increasing of its application functions, the tasks undertaken by robots in the industrial field are becoming more and more complex and diverse, such as polishing operations, hole shaft assembly and other tasks. However, all these complex tasks have high requirements on position control and force control of the robot, and even need to control both position and force at the same time. On this background, this paper studies the control method of machine manhole shaft assembly.

The main work of this paper is as follows:

Firstly, the kinematics and dynamics of the robot are studied based on UR5 robot. It includes the modeling of robot forward kinematics and the solution of inverse kinematics, as well as the simple derivation of Lagrange equation in dynamics. The study of these basic theories can be more conducive to the study of robot control methods.

Then the impedance control in the robot is studied and analyzed. In this paper, two impedance control methods are compared and analyzed. Based on the impedance control method, a position-based impedance control model is built on Simulink and simulated. The feasibility and effectiveness of the positional impedance control are verified by the mathematical model.

Then, based on the contact state of the robot jack in V-REP, using CAD software, drawing out of the hole shaft assembly task plan of the hole and shaft, and the force and attitude between the hole and shaft were analyzed to establish the relationship between the two. The theoretical basis is determined for the control algorithm of jack operation simulation.

Finally, through the combination of MATLAB and v-rep, the jack operation simulation in the machine manhole shaft assembly is realized, and the effectiveness and accuracy of the control algorithm and physical simulation model are verified, and the robot control research oriented to the hole shaft assembly is successfully applied.

In this paper, through the simulation on two different platforms, namely the mathematical model of Simulink and the physical model simulation of V-REP, the realization of impedance control will have a deeper and more intuitive research and analysis.

Key Words：Impedance control; Hole shaft assembly; Peg-in-hole simulation; Force position control

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1被动力/位置控制 2

1.3.2主动力/位置控制 3

1.3.2.1力/位置混合控制 3

1.3.2.2阻抗控制 4

1.4本文主要内容及目的意义 5

第二章 运动学与动力学 6

2.1 D-H描述法 6

2.2运动学 8

2.2.1正运动学 8

2.2.2逆运动学 10

2.3动力学 11

2.4本章小结 13

第三章 阻抗控制与孔轴状态研究 14

3.1阻抗控制原理 14

3.1.1基于力的阻抗控制 15

3.1.2基于位置的阻抗控制 16

3.2基于Simulink的阻抗控制仿真 17

3.3孔轴装配状态分析 21

3.4本章小结 23

第四章 孔轴装配仿真实现 24

4.1软件与对象模型 24

4.2插孔操作的仿真实现 25

4.3本章小结 28

第五章 结论 29

5.1整理与总结 29

5.2不足与展望 29

参考文献 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1引言

随着机器人技术和机器人控制理论的发展，机器人在工业生产上的应用越来越普遍，由机器人负责完成的生产制造任务也越来越繁杂，而其中就有在工业生产中需要精细化控制的操作任务如孔轴装配。像孔轴装配这一类的操作都要求机器人同时对位置和力实现精准控制。而据统计，装配任务在生产过程中占据了50%的工作量，在如今讲究高效智能的工业时代，很多企业使用机器人来完成孔轴装配过程。但是传统位置控制或者力控制下的装配机器人已经无法适应诸如孔轴装配的应用场景了^[1]。

本章内容将基于工业机器人控制的发展背景及研究现状，对本论文所研究课题的重点内容，即面向孔轴装配的机器人控制研究，以及目的意义等内容进行概括性的阐述。

1.2研究背景

1947年世界上诞生了第一台遥控机械手，时至今日，机器人已经经历了70余年的发展与改进。在机器人诞生初期，机器人只能通过遥控搬运材料，执行简单的任务。后来，乔治·德沃尔于1954年设计了第一台可编程机器人^[2]，机器人开始可以在输入程序的控制下执行一系列指定的任务，这使得机器人可以在更广阔的应用范围中使用。而后，随着任务难度的增加与工业需求的增大，在1961年和1963年人们分别研制出了第一台力反馈机器人和第一套机器人视觉系统。在机器人视觉系统的基础上，将可以很方便地获取目标点和障碍物等的坐标，再通过机器人逆运动学和坐标转换矩阵，机器人将可以灵活地进行比较复杂的运动轨迹，实现路径规划与位置控制。这极大地增多了机器人的使用场景，使得机器人能够胜任更多更繁杂的工业任务而不只是简单的搬运。

随着对机器人的研究持续深入和技术的持续开发，对机器人编程工程师的需求也越来越大。为了减低机器人编程的门槛，吸引更多的人加入到机器人编程中，于是斯坦福大学在1973年开发了第一套机器人编程语言（WAVE），使得机器人编程更加方便。接下来的一段时间，各大机器人公司和各种类型的机器人层出不穷，如美国尤尼梅申公司的PUMA机器人，日本推出的SCARA机器人等。不同类型机器人可以应用在不同的领域，所以机器人开始在军事、工业、医疗以及个人服务等领域大显身手^[2]。