氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)高精度位姿控制研究.pdf

1、氣動(dòng)肌肉是一種具有類似人類肌肉輸出特性的柔性執(zhí)行器，它是根據(jù)人類肌肉的運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)而成。氣動(dòng)肌肉既具有清潔、質(zhì)量輕、價(jià)格低、易維護(hù)等氣動(dòng)元件的優(yōu)點(diǎn)，與氣缸相比，還具有較大的功率/體積比和功率/質(zhì)量比，并且由于其力一位移關(guān)系特性與人類肌肉特性相似而具有很好的柔順性。并聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、無累積誤差、精度高和反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。我們提出一種結(jié)構(gòu)簡單的氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)，采用三根氣動(dòng)肌肉連接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和基座，使用成本低的高速開關(guān)閥來控制氣動(dòng)肌

2、肉的充氣量實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉收縮，從而達(dá)到多自由度的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制。該機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮氣動(dòng)肌肉與并聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有功率/重量比和功率/體積比大、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、成本低、運(yùn)動(dòng)平滑、自然柔順性好、不易損害操作對(duì)象等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、仿生機(jī)械等領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。 但是，氣動(dòng)肌肉的強(qiáng)非線性和參數(shù)時(shí)變性以及并聯(lián)關(guān)節(jié)的多輸入多輸出耦合影響和模型不確定，給氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的高精度控制帶來挑戰(zhàn)。首先，氣動(dòng)肌肉的收縮力、收縮位

3、移和內(nèi)部壓力之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，其收縮力不易精確獲得；氣動(dòng)肌肉的摩擦力和滯回受壓力、溫度等多種因素影響，其特性很難獲得；氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓力微分方程的非線性，假定氣體為多變過程，這將造成模型的不準(zhǔn)確對(duì)控制量帶來干擾，而且，雖然氣腔內(nèi)的壓力可假定為均勻的，但溫度卻是不均勻的。其次，經(jīng)過閥口的流量計(jì)算方法都是基于穩(wěn)態(tài)流量測試標(biāo)準(zhǔn)，不能測試閥口的瞬態(tài)流量，存在較大的模型誤差；高速開關(guān)閥存在流量脈動(dòng)、開關(guān)延遲等多種不利控制因素。再者，氣動(dòng)肌肉

4、并聯(lián)關(guān)節(jié)為多輸入多輸出且耦合的非線性系統(tǒng)，各種參數(shù)不易精確獲得；且存在未知的外部干擾力矩。 本論文以氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)高精度軌跡跟蹤控制為研究目標(biāo)，采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地且逐層深入地研究了氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)位姿的高精度控制方法。 針對(duì)冗余的控制自由度使得工作點(diǎn)時(shí)變從而導(dǎo)致軌跡跟蹤精度一致性變差的問題，提出在基于反步法的自適應(yīng)魯棒控制中加入期望等效平均剛度約束來消除冗余的控制自由度，并根據(jù)

5、測量噪聲增益對(duì)等效平均剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了高精度的位姿軌跡跟蹤又減少了控制量振蕩。針對(duì)無壓力傳感器時(shí)的參數(shù)自適應(yīng)問題，提出多執(zhí)行器耦合氣動(dòng)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)壓力觀測方法，并與自適應(yīng)魯棒控制策略相結(jié)合將偽解耦過程中新增的不確定、壓力觀測誤差產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不確定和模型本身的不確定一起進(jìn)行抑制與補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)無壓力傳感器時(shí)氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的高精度位姿軌跡跟蹤。針對(duì)并聯(lián)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)瞬態(tài)跟蹤誤差較大的問題，提出基于復(fù)合誤差最小化準(zhǔn)則的參數(shù)

6、估計(jì)方法獲得具有冗余特征系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的可靠且合理的參數(shù)估計(jì)，并與自適應(yīng)魯棒控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器。此控制方法獲得的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.01°，正弦軌跡跟蹤的平均誤差小于0.1°和最大跟蹤誤差小于0.3°。本論文的主要研究分為九章，現(xiàn)分述如下： 第一章，介紹了氣動(dòng)肌肉的發(fā)展歷程、主要特點(diǎn)和使用形式；探討了國內(nèi)外在氣動(dòng)肌肉的數(shù)學(xué)模型、相關(guān)特性、控制方法和系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究現(xiàn)狀；最后概述了本課題的研究意義、研

7、究難點(diǎn)以及研究內(nèi)容。 第二章，描述了氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)構(gòu)原理與硬件組成；根據(jù)數(shù)學(xué)建模的假設(shè)條件，通過建立并聯(lián)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型、氣動(dòng)肌肉收縮力模型和壓力微分方程、溫度微分方程、平均流量方程，獲得氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)完整的非線性模型；根據(jù)附加的簡化假設(shè)條件，將并聯(lián)關(guān)節(jié)和執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行簡化，獲得氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)簡化的非線性模型以便設(shè)計(jì)非線性控制器；通過數(shù)學(xué)模型線性化、求取靜平衡狀態(tài)的系統(tǒng)工作點(diǎn)和進(jìn)行開環(huán)控制下

8、的系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)的特性和各模型參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 第三章，根據(jù)并聯(lián)關(guān)節(jié)的一般剛度定義，推導(dǎo)出氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度，分析了不同位姿點(diǎn)的靜態(tài)剛度和靜態(tài)剛度對(duì)系統(tǒng)性能的影響；首次定義了氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的等效平均剛度，并給出了使用等效平均剛度作為約束來消除冗余控制自由度的原理；從等效平均剛度的可調(diào)范圍、優(yōu)化方法和等效平均剛度與等效平均壓力的關(guān)系三個(gè)方面，分析了等效平均剛度的選取原則，并給出其應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。

9、 第四章，建立了氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的控制量和狀態(tài)量互相偽解耦的三階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型；構(gòu)造了輸出微分觀測器以獲取速度信號(hào)和加速度信號(hào)；分別設(shè)計(jì)了帶邊界層線性切換函數(shù)的全階滑?？刂破骱蛶н吔鐚泳€性或非線性切換函數(shù)的降階滑?？刂破鳎环治隽烁櫿`差與滑模切換函數(shù)、控制參數(shù)和系統(tǒng)不確定量之間的關(guān)系；探討了邊界層的影響和氣源壓力的影響。 第五章，導(dǎo)出了參數(shù)不確定形式的系統(tǒng)模型；設(shè)計(jì)了基于非連續(xù)參數(shù)投影映射的自適應(yīng)魯棒控制器，通過自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)

10、來補(bǔ)償因系統(tǒng)模型中某些參數(shù)未知而引起的參數(shù)不確定，通過魯棒反饋抑制系統(tǒng)模型中的嚴(yán)重非線性不確定，通過優(yōu)化的等效平均剛度消除冗余控制自由度以確定系統(tǒng)的工作點(diǎn)從而解決軌跡跟蹤精度的一致性變差問題和減少控制量的振蕩；從理論上分析了控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響；從實(shí)驗(yàn)上分析了等效平均剛度對(duì)系統(tǒng)控制性能特別是歸一化的控制變化量的影響。 第六章，為提高可靠性和降低成本而取消壓力傳感器，這樣不僅存在氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)不確定和嚴(yán)重非

11、線性不確定，而且新增了壓力未知導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)不確定；導(dǎo)出了單支路的單輸入單輸出偽解耦模型以便構(gòu)造壓力觀測器來估計(jì)未知的壓力；設(shè)計(jì)了基于壓力觀測的自適應(yīng)魯棒控制器實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)無壓力傳感器時(shí)的高精度軌跡跟蹤：分析了氣源壓力對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。 第七章，為獲得氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)的精確模型，將并聯(lián)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型表示為參數(shù)線性化的修正模型以便把未建模誤差表示出來；提出基于復(fù)合誤差最小化準(zhǔn)則的參數(shù)估計(jì)算法，給出離散形式的參數(shù)辨識(shí)獲

12、取修正模型參數(shù)的初始值，給出連續(xù)形式的參數(shù)辨識(shí)以便實(shí)現(xiàn)在線的自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)；通過單根氣動(dòng)肌肉收縮長度的定長控制對(duì)流量模型進(jìn)行了修正。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于參數(shù)投影映射的直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器以解決氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)瞬態(tài)跟蹤誤差較大的問題，同時(shí)獲得了可靠且合理的參數(shù)估計(jì)。 第八章，在氣動(dòng)肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)上對(duì)直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器進(jìn)行了各種試驗(yàn)測試；給出了階躍位姿響應(yīng)、正弦軌跡跟蹤、任意連續(xù)軌跡跟蹤的試驗(yàn)結(jié)果