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

1、目前，柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂由于具有高的負載/自重比、質(zhì)量輕、功耗低等特點，被廣泛應(yīng)用于各種移動機器人或者平臺上，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)越來越重要的地位。從輕型機械臂的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍來看，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、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說，輕型機械臂除了需要高精度的位置控制外，還需要其對未知工作環(huán)境的柔順性，即當(dāng)機器人與未知環(huán)境相接觸時，不至

2、于對機器人本身和操作對象造成損傷；這就需要對輕型機械臂實施柔順控制。而實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)機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；這不但給輕型機械臂的控制帶來了很大的挑戰(zhàn)，而且使其在運動的過程中不可避免的存在振動以及運動結(jié)束后存在殘余振動的問題。為了得到高性能的輕型機械臂，就必須抑制其振動以及殘余振動。因此，本文除了對柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂的位置控

3、制進行研究外，還將對柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂笛卡爾阻抗控制以及振動與殘余振動抑制進行深入研究。
　　本文研制了柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂的硬件系統(tǒng)，包括機械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)的電氣布局進行了簡要的介紹。即利用模塊化設(shè)計思想設(shè)計了4自由柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂，模塊化關(guān)節(jié)具有豐富的傳感器系統(tǒng)。同時建立了基于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。底層控制器實現(xiàn)的功能包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、電機的方波驅(qū)動以及與上層的通訊；上層控制器實現(xiàn)的功能有：運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及與底層的通訊。
　　基于反步法實現(xiàn)單連桿柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂的位置控制，但由于其對系統(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)反步法對模型參數(shù)敏感的問題，又消除了對柔性關(guān)節(jié)輕型機械臂精確動力學(xué)模型的需要，并不受關(guān)節(jié)柔性大小的限制，控制過程中無需連桿加速度及加

5、加速度信息。仿真和實驗結(jié)果證明該方法的有效性，同時，利用該方法控制輕型機械臂，測試其末端位置重復(fù)定位精度和姿態(tài)重復(fù)定位精度的均達到設(shè)計指標。
　　采用反步法笛卡爾阻抗控制實現(xiàn)輕型機械臂的柔順控制，在設(shè)計笛卡爾阻抗控制器的過程中，傳統(tǒng)的反步法存在“項數(shù)膨脹”問題。為了解決此問題，提出了基于動態(tài)面控制-反步法阻抗控制器；該方法在每一步設(shè)計過程中引入一階積分濾波器來估計虛擬控制輸入的導(dǎo)數(shù)，從而既消除了傳統(tǒng)反步法中存在的“項數(shù)膨脹”問題，

6、又對可能包含傳感器噪聲的輸入信號進行了濾波，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，最后給出了該控制器的穩(wěn)定性證明。利用此方法實現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)機械臂在受限環(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，使得輕型機械臂由關(guān)節(jié)的柔性引起的振動以及殘余振動進行抑制控制。針對運動過程中由于干擾或自身柔性引起的振動，設(shè)計了基于Luenberger函數(shù)的關(guān)節(jié)狀態(tài)觀測器，利用電機位置傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器，實現(xiàn)對關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)

7、速度的觀測。從而實現(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)機械臂在運動過程中由于外力擾動或自身柔性引起的振動。而對于運動停止后存在的殘余振動，引入時變輸入整形技術(shù)對機械臂進行控制。當(dāng)模型不準確時采用離線方法，獲得主振模態(tài)隨構(gòu)型變化函數(shù)，基于這個函數(shù)實時修改輸入整形器參數(shù)，達到抑制殘余振動的目的；當(dāng)模型準確時通過動力學(xué)模型求解特征值獲得振動模態(tài)隨構(gòu)型變化函數(shù)，基于此函數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)輸入整形控制，從而實現(xiàn)機械臂的殘余振動抑制。上述兩種方法