人機(jī)碰撞環(huán)境中機(jī)械臂的笛卡爾阻抗控制系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)機(jī)器人工作在與人接觸的環(huán)境時(shí)，通常任務(wù)多樣化且環(huán)境不能精確的數(shù)學(xué)建模，需要機(jī)械臂實(shí)施安全柔順的操作。本文的研究目的是針對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂在人機(jī)碰撞環(huán)境中出現(xiàn)的問題，研究機(jī)械臂的硬件結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、笛卡爾阻抗控制結(jié)構(gòu)以及發(fā)生碰撞時(shí)的安全操作策略。
　　本文采用笛卡爾阻抗控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的柔順控制，根據(jù)阻抗控制的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)基于PCI-DSP/FPGA-FPGAs的新型硬件結(jié)構(gòu)。該硬件結(jié)構(gòu)包括三部分：將基于FPGA的關(guān)節(jié)控制器作為底層控

2、制器，集成在每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)并行實(shí)現(xiàn)所有傳感器采集、數(shù)據(jù)融合和電機(jī)伺服控制等操作，它能夠保證內(nèi)環(huán)控制具有較高的帶寬；將基于PCI總線的DSP/FPGA控制板作為上層控制器，其中的DSP用于實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等計(jì)算，而FPGA主要處理上下位機(jī)通信，使DSP能更加高效的處理復(fù)雜算法；設(shè)計(jì)了基于多點(diǎn)低壓差分（M-LVDS）的高速串行總線，實(shí)現(xiàn)上下層通信周期為200us的高速通信；在關(guān)節(jié)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的場(chǎng)向量控制，在矢量坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電源和控

3、制扭矩的解耦控制，提高關(guān)節(jié)層電機(jī)扭矩的相應(yīng)速度并減小關(guān)節(jié)扭矩波動(dòng)。
　　針對(duì)諧波減速器在傳動(dòng)時(shí)具有較大的摩擦將嚴(yán)重影響機(jī)械臂動(dòng)態(tài)性能的問題，本文詳細(xì)分析了柔性關(guān)節(jié)摩擦的影響系數(shù)，建立了具有靜摩擦、粘滯摩擦和隨負(fù)載及電機(jī)位置變化的摩擦模型，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器用于實(shí)時(shí)前饋補(bǔ)償該系統(tǒng)存在的摩擦力，并證明了算法的穩(wěn)定性。同時(shí)本文基于阻抗控制和場(chǎng)向量控制，離線辨識(shí)了關(guān)節(jié)剛度和各摩擦系數(shù)范圍等參數(shù)?；赟imMechanic和SimSca

4、pe的仿真結(jié)果和單關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明自適應(yīng)笛卡爾阻抗控制器能比傳統(tǒng)的固定參數(shù)摩擦補(bǔ)償策略更有效地提高系統(tǒng)的控制精度。
　　針對(duì)柔性關(guān)節(jié)僅使用電機(jī)狀態(tài)量控制易引起機(jī)械臂抖動(dòng)的問題，本文提出僅使用電機(jī)的位置和關(guān)節(jié)扭矩設(shè)計(jì)觀測(cè)器觀測(cè)機(jī)械臂的全局變量。另外針對(duì)傳統(tǒng)拉格朗日動(dòng)力學(xué)計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)，本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于虛擬分解的笛卡爾阻抗控制器，將系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換為各個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，讓所有的控制器都能并行的計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，從而減輕了系統(tǒng)計(jì)算負(fù)

5、擔(dān)。
　　本文重點(diǎn)分析了人機(jī)碰撞環(huán)境下的位置和力控制要求，闡述了機(jī)械臂的安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了僅給定兩點(diǎn)位置和速度情況下具有加速度導(dǎo)數(shù)連續(xù)的離線軌跡規(guī)劃，確保機(jī)械臂在自由空間能夠快速平穩(wěn)的操作；根據(jù)笛卡爾阻抗控制的特性，將機(jī)械臂設(shè)計(jì)成一個(gè)整體的笛卡爾力傳感器，并利用該傳感器功能能夠像人手一樣對(duì)固定負(fù)載測(cè)量、加載和操作；建立具有實(shí)時(shí)力反饋的軌跡規(guī)劃，并將傳統(tǒng)的力控制轉(zhuǎn)換到期望軌跡中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂在碰撞環(huán)境下不中斷任務(wù)和不改變控制策