外文翻譯--機械手非線性擾動器的設計（譯文）

1、 第 頁 共 30 頁11 中文 中文 9300 字出處： 出處：Mohammadi A, Tavakoli M, Marquez H J, et al. Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators[J]. Control Engineering Practice, 2013, 21(21):253–267.機械手非線性擾動器的設計 機械手非線性擾動

2、器的設計A. Mohammadia,n, M.Tavakoli b,nn, H.J.Marquez b, F.Hashemzadeh ba Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical & Computer Engineering, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada M5S 3G4 b Department of Ele

3、ctrical & Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada T6G 2V4摘要： 摘要：機械手是一個高度非線性和耦合的系統(tǒng)，遭受不同類型的干擾，例如關節(jié)摩擦、未知的有效載荷、動態(tài)的接觸點和未建模動態(tài)。當這些干擾沒有計算進來時，會對機械手的執(zhí)行情況有不利的影響。常見的方法是利用擾動觀測器來排除這些干擾。除了抑制干擾，擾動觀測器也可

4、用在力控制的應用中。最近，已有大量關于設計機械手的非線性擾動觀測器（NLDOS）的研究。盡管在干擾跟蹤方面取得了一些成果，但是根據(jù)以前的設計，非線性干擾觀測器僅僅只能用在帶傳動關節(jié)的平面串行機械手上[1]。在本文中，提出了一個通用的系統(tǒng)的方法不受自由度數(shù)量，關節(jié)類型或機械手配置限制以設計機械手的非線性觀測器。此外，這種設計方法不需要串聯(lián)機械手精確的動力學模型。這種方法也將之前提出的線性和非線性干擾觀測器統(tǒng)一到了一個總體框架中。為了展示提

5、出干擾觀測器構思在 4 自由度 SCARA 機械手上的有效性，提出了仿真的方法。使用了一個 PHANTOM OMNI 的觸覺裝置產(chǎn)生的實驗結果，進一步說明了這種設計方法的有效性。第 頁 共 30 頁33 用中，為了保證系統(tǒng)性能良好，機器人末端連接器需要接觸一個兼容表面和力控制方案。因此，需要一個力傳感器來測量這些接觸力。當沒有傳感器用于測量扭矩和力量時，應用程序可以雇傭擾動觀測器。例如，在無力傳感器的控制中已經(jīng)成功的雇用了擾動觀測

6、器[12]。用在微納米操作任務中，是擾動觀測器另一個潛在的應用，例如在顯微鏡下向生物細胞中注射外部物質，這些地方缺少足夠小的擁有良好精度和信噪比的力傳感器[13]。最近，為了提高機器人的敏捷性，發(fā)展了一個新的系統(tǒng)來引導他們的動作[14]。所謂的主從機器人系統(tǒng)是由兩個一模一樣的機器人組成的。這些機器人是由基于一個擾動觀測器的雙邊加速度控制方案來控制的。一個機器人由工作人員引導進入教學運動模式，另一個無約束的機器人，模仿那個受約束的機器人，

7、達到相同的位置、速度和加速度。從約束機器人中提取出操作員的純力量是被期望的。為了找回人類操作員的力量，在無約束機器人中使用了干擾觀測器來估算例如摩擦和重力等干擾力。干擾力在約束和無約束機器人上的表現(xiàn)是相同的。人類操作員的力量是從約束機器人的總力量中減去無約束機器人上的干擾力而估算出來的。因此，隨動機器人系統(tǒng)不需要力傳感器面對重力和摩擦力也能觀察到人的力量。最后，為了確定在系統(tǒng)中是否已經(jīng)發(fā)生了例如碰撞或反作用力突然增加的錯誤，工業(yè)機器人使

8、用了故障檢測系統(tǒng)。擾動觀測器已經(jīng)用于許多機器人應用程序的故障檢測中[15]。表一總結了擾動觀測器在機器人中最重要的應用?，F(xiàn)有的大部分干擾觀測器的文獻都是為了設計使用線性化模型或線性系統(tǒng)技術的機器人應用[16]。為了克服線性擾動觀測器在機械手的高度非線性和耦合動力學上的局限性，Chen, Ballance, Gawthrop, 和 O’Reilly (2000)提出了非線性機械手的一般非線性擾動觀測器結構。 Chen 等人使用 NDOB

9、觀測器找到了一個觀測器增益矩陣減少了設計問題，這樣就能得到干擾追蹤了。然而 chen 等人能找到這樣一個帶旋轉關節(jié)的 2 連平面機械手關節(jié)的增益矩陣。后來， Nikoobin 等人，利用顯示機械手這種特殊類的機器人關系，將陳的解決方案推廣到帶傳動關節(jié)的串聯(lián)機械手上[17]。除了限制機械手的配置，他們的設計也不能保證指數(shù)干擾跟蹤和僅僅證明了漸進干擾跟蹤。Chen 和 Nikoobin 和 Haghighi 同時使用顯示公式特定類操縱者的慣

10、性矩陣來解決擾動觀測器的設計問題。盡管這些擾動觀測器在擾動估算方面展示出了預想的結果，但它們的設計也只局限于平面，帶傳動關節(jié)的串行機械手。工業(yè)機器人包括 6 自由度的機械手等，然而，愛普生 C3 和 PUMA560 是非平面的。此外，一些像 SCARA 的工業(yè)手臂使用了移動關節(jié)而不是轉動關節(jié)。這引發(fā)了尋找一個通用設計方法的動力。本文的目的是解決由 chen 等人提出的 NDOB 的設計問題，適用于所有串聯(lián)機械手。設計方法不變自由度數(shù)量，

11、聯(lián)合類型，或調用機械手動態(tài)屬性配置的現(xiàn)有限制。此外，這種設計方法不需要知道機器人的完整動力學?？梢杂脕碓O計針對所有系列機器人機械手的干擾觀測器的新的不等式將被推倒出來。擾動觀測器的設計問題將被制定為一個線性矩陣不等式的方法（LIM），例如 MATLAB LIM 工具箱的控制這些問題可以用 LMI 軟件迎刃而解。除了 LMI 規(guī)劃，一個對于設計問題解決方案的分析將會被提出。本文的組織如下。第 2 節(jié)介紹了不需要聯(lián)合加速器測量的非線性擾動觀

12、測器結構及其修改版本。第 3 節(jié)為非線性擾動觀測器解決了設計問題，為全局的漸進穩(wěn)定提供了充分條件。干擾指數(shù)跟蹤慢變化的情況，障礙和全球統(tǒng)一的 fast-varying 干擾情況下的最終有界性，干擾跟蹤誤差。觀測器的設計問題也會被制定成一個線性的矩陣不等式。在第 4 節(jié)，在解決擾動觀測器時，這些重要的提議需要被考慮進去。第五節(jié)顯示了建議的有效性，這些建議是用 SCARA 機械手設計方法進行模擬，設計一個四自由度的工業(yè)部門，，其中非線性擾動