具有柔性關(guān)節(jié)的輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究.pdf

1、目前，柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂由于具有高的負(fù)載/自重比、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)機(jī)器人或者平臺(tái)上，在空間探索、軍事偵察、反恐排爆和家庭服務(wù)等領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位。從輕型機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍來(lái)看，其工作任務(wù)多樣化且工作環(huán)境隨工作任務(wù)而改變。要么工作于危險(xiǎn)、未知的復(fù)雜環(huán)境下，要么與人親密接觸。因此從安全操作及可靠性來(lái)說(shuō)，輕型機(jī)械臂除了需要高精度的位置控制外，還需要其對(duì)未知工作環(huán)境的柔順性，即當(dāng)機(jī)器人與未知環(huán)境相接觸時(shí)，不至

2、于對(duì)機(jī)器人本身和操作對(duì)象造成損傷；這就需要對(duì)輕型機(jī)械臂實(shí)施柔順控制。而實(shí)現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的柔順控制的有效方法有：力/位混合控制和阻抗控制。再者由于輕型機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用諧波齒輪減速以及關(guān)節(jié)處存在的力矩傳感器，都使其關(guān)節(jié)柔性增大；這不但給輕型機(jī)械臂的控制帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，而且使其在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不可避免的存在振動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)結(jié)束后存在殘余振動(dòng)的問(wèn)題。為了得到高性能的輕型機(jī)械臂，就必須抑制其振動(dòng)以及殘余振動(dòng)。因此，本文除了對(duì)柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂的位置控

3、制進(jìn)行研究外，還將對(duì)柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂笛卡爾阻抗控制以及振動(dòng)與殘余振動(dòng)抑制進(jìn)行深入研究。
　　本文研制了柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂的硬件系統(tǒng)，包括機(jī)械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電氣布局進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。即利用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了4自由柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂，模塊化關(guān)節(jié)具有豐富的傳感器系統(tǒng)。同時(shí)建立了基于Xilinx FPGA的底層控制器、基于PCI的上層控制器以及實(shí)現(xiàn)上下層之間通訊的PP-LVDS高速串行總線，通訊周期為20

4、0us。底層控制器實(shí)現(xiàn)的功能包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、電機(jī)的方波驅(qū)動(dòng)以及與上層的通訊；上層控制器實(shí)現(xiàn)的功能有：運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及與底層的通訊。
　　基于反步法實(shí)現(xiàn)單連桿柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂的位置控制，但由于其對(duì)系統(tǒng)模型參數(shù)變化敏感。因此，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)反步法控制器。既克服了傳統(tǒng)反步法對(duì)模型參數(shù)敏感的問(wèn)題，又消除了對(duì)柔性關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂精確動(dòng)力學(xué)模型的需要，并不受關(guān)節(jié)柔性大小的限制，控制過(guò)程中無(wú)需連桿加速度及加

5、加速度信息。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法的有效性，同時(shí)，利用該方法控制輕型機(jī)械臂，測(cè)試其末端位置重復(fù)定位精度和姿態(tài)重復(fù)定位精度的均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
　　采用反步法笛卡爾阻抗控制實(shí)現(xiàn)輕型機(jī)械臂的柔順控制，在設(shè)計(jì)笛卡爾阻抗控制器的過(guò)程中，傳統(tǒng)的反步法存在“項(xiàng)數(shù)膨脹”問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)面控制-反步法阻抗控制器；該方法在每一步設(shè)計(jì)過(guò)程中引入一階積分濾波器來(lái)估計(jì)虛擬控制輸入的導(dǎo)數(shù)，從而既消除了傳統(tǒng)反步法中存在的“項(xiàng)數(shù)膨脹”問(wèn)題，

6、又對(duì)可能包含傳感器噪聲的輸入信號(hào)進(jìn)行了濾波，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，最后給出了該控制器的穩(wěn)定性證明。利用此方法實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂在受限環(huán)境下的柔順行為，從而證明該方法的有效性。
　　由于諧波齒輪減速以及關(guān)節(jié)力矩傳感器存在，使得輕型機(jī)械臂由關(guān)節(jié)的柔性引起的振動(dòng)以及殘余振動(dòng)進(jìn)行抑制控制。針對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于干擾或自身柔性引起的振動(dòng)，設(shè)計(jì)了基于Luenberger函數(shù)的關(guān)節(jié)狀態(tài)觀測(cè)器，利用電機(jī)位置傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)

7、速度的觀測(cè)。從而實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的全狀態(tài)反饋控制，抑制了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于外力擾動(dòng)或自身柔性引起的振動(dòng)。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)停止后存在的殘余振動(dòng)，引入時(shí)變輸入整形技術(shù)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制。當(dāng)模型不準(zhǔn)確時(shí)采用離線方法，獲得主振模態(tài)隨構(gòu)型變化函數(shù)，基于這個(gè)函數(shù)實(shí)時(shí)修改輸入整形器參數(shù)，達(dá)到抑制殘余振動(dòng)的目的；當(dāng)模型準(zhǔn)確時(shí)通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型求解特征值獲得振動(dòng)模態(tài)隨構(gòu)型變化函數(shù)，基于此函數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)輸入整形控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的殘余振動(dòng)抑制。上述兩種方法