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

1、當機器人工作在與人接觸的環(huán)境時，通常任務多樣化且環(huán)境不能精確的數(shù)學建模，需要機械臂實施安全柔順的操作。本文的研究目的是針對柔性關節(jié)機械臂在人機碰撞環(huán)境中出現(xiàn)的問題，研究機械臂的硬件結構、動態(tài)補償、笛卡爾阻抗控制結構以及發(fā)生碰撞時的安全操作策略。
　　本文采用笛卡爾阻抗控制實現(xiàn)機械臂的柔順控制，根據(jù)阻抗控制的結構要求設計基于PCI-DSP/FPGA-FPGAs的新型硬件結構。該硬件結構包括三部分：將基于FPGA的關節(jié)控制器作為底層控

2、制器，集成在每個關節(jié)內(nèi)并行實現(xiàn)所有傳感器采集、數(shù)據(jù)融合和電機伺服控制等操作，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用于實現(xiàn)軌跡規(guī)劃、運動學和動力學等計算，而FPGA主要處理上下位機通信，使DSP能更加高效的處理復雜算法；設計了基于多點低壓差分（M-LVDS）的高速串行總線，實現(xiàn)上下層通信周期為200us的高速通信；在關節(jié)內(nèi)實現(xiàn)電機的場向量控制，在矢量坐標系下實現(xiàn)勵磁電源和控

3、制扭矩的解耦控制，提高關節(jié)層電機扭矩的相應速度并減小關節(jié)扭矩波動。
　　針對諧波減速器在傳動時具有較大的摩擦將嚴重影響機械臂動態(tài)性能的問題，本文詳細分析了柔性關節(jié)摩擦的影響系數(shù)，建立了具有靜摩擦、粘滯摩擦和隨負載及電機位置變化的摩擦模型，設計了自適應動態(tài)補償器用于實時前饋補償該系統(tǒng)存在的摩擦力，并證明了算法的穩(wěn)定性。同時本文基于阻抗控制和場向量控制，離線辨識了關節(jié)剛度和各摩擦系數(shù)范圍等參數(shù)?；赟imMechanic和SimSca

4、pe的仿真結果和單關節(jié)的實驗結果均表明自適應笛卡爾阻抗控制器能比傳統(tǒng)的固定參數(shù)摩擦補償策略更有效地提高系統(tǒng)的控制精度。
　　針對柔性關節(jié)僅使用電機狀態(tài)量控制易引起機械臂抖動的問題，本文提出僅使用電機的位置和關節(jié)扭矩設計觀測器觀測機械臂的全局變量。另外針對傳統(tǒng)拉格朗日動力學計算復雜的缺點，本文詳細設計了基于虛擬分解的笛卡爾阻抗控制器，將系統(tǒng)的動力學轉換為各個子系統(tǒng)的動力學，讓所有的控制器都能并行的計算系統(tǒng)動力學，從而減輕了系統(tǒng)計算負

5、擔。
　　本文重點分析了人機碰撞環(huán)境下的位置和力控制要求，闡述了機械臂的安全評判標準，詳細設計了僅給定兩點位置和速度情況下具有加速度導數(shù)連續(xù)的離線軌跡規(guī)劃，確保機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，將機械臂設計成一個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固定負載測量、加載和操作；建立具有實時力反饋的軌跡規(guī)劃，并將傳統(tǒng)的力控制轉換到期望軌跡中，實現(xiàn)了機械臂在碰撞環(huán)境下不中斷任務和不改變控制策