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具有柔性关节的轻型机械臂控制系统研究

作　者: 熊根良
导　师: 刘宏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 柔性关节轻型机械臂反步法动态面控制时变输入整形器
分类号: TP241
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,柔性关节轻型机械臂由于具有高的负载/自重比、质量轻、功耗低等特点,被广泛应用于各种移动机器人或者平台上,在空间探索、军事侦察、反恐排爆和家庭服务等领域占据越来越重要的地位。从轻型机械臂的应用领域和范围来看,其工作任务多样化且工作环境随工作任务而改变。要么工作于危险、未知的复杂环境下,要么与人亲密接触。因此从安全操作及可靠性来说,轻型机械臂除了需要高精度的位置控制外,还需要其对未知工作环境的柔顺性,即当机器人与未知环境相接触时,不至于对机器人本身和操作对象造成损伤;这就需要对轻型机械臂实施柔顺控制。而实现柔性关节机械臂的柔顺控制的有效方法有:力/位混合控制和阻抗控制。再者由于轻型机械臂关节采用谐波齿轮减速以及关节处存在的力矩传感器,都使其关节柔性增大;这不但给轻型机械臂的控制带来了很大的挑战,而且使其在运动的过程中不可避免的存在振动以及运动结束后存在残余振动的问题。为了得到高性能的轻型机械臂,就必须抑制其振动以及残余振动。因此,本文除了对柔性关节轻型机械臂的位置控制进行研究外,还将对柔性关节轻型机械臂笛卡尔阻抗控制以及振动与残余振动抑制进行深入研究。本文研制了柔性关节轻型机械臂的硬件系统,包括机械系统、传感器系统以及电气系统,并对整个系统的电气布局进行了简要的介绍。即利用模块化设计思想设计了4自由柔性关节轻型机械臂,模块化关节具有丰富的传感器系统。同时建立了基于Xilinx FPGA的底层控制器、基于PCI的上层控制器以及实现上下层之间通讯的PP-LVDS高速串行总线,通讯周期为200us。底层控制器实现的功能包括:传感器数据采集、数据融合、电机的方波驱动以及与上层的通讯;上层控制器实现的功能有:运动学、动力学、轨迹规划以及与底层的通讯。基于反步法实现单连杆柔性关节轻型机械臂的位置控制,但由于其对系统模型参数变化敏感。因此,采用基于神经网络的自适应反步法控制器。既克服了传统反步法对模型参数敏感的问题,又消除了对柔性关节轻型机械臂精确动力学模型的需要,并不受关节柔性大小的限制,控制过程中无需连杆加速度及加加速度信息。仿真和实验结果证明该方法的有效性,同时,利用该方法控制轻型机械臂,测试其末端位置重复定位精度和姿态重复定位精度的均达到设计指标。采用反步法笛卡尔阻抗控制实现轻型机械臂的柔顺控制,在设计笛卡尔阻抗控制器的过程中,传统的反步法存在“项数膨胀”问题。为了解决此问题,提出了基于动态面控制-反步法阻抗控制器;该方法在每一步设计过程中引入一阶积分滤波器来估计虚拟控制输入的导数,从而既消除了传统反步法中存在的“项数膨胀”问题,又对可能包含传感器噪声的输入信号进行了滤波,提高系统的动态性能,最后给出了该控制器的稳定性证明。利用此方法实现了柔性关节机械臂在受限环境下的柔顺行为,从而证明该方法的有效性。由于谐波齿轮减速以及关节力矩传感器存在,使得轻型机械臂由关节的柔性引起的振动以及残余振动进行抑制控制。针对运动过程中由于干扰或自身柔性引起的振动,设计了基于Luenberger函数的关节状态观测器,利用电机位置传感器和关节力矩传感器,实现对关节位置和关节速度的观测。从而实现了柔性关节的全状态反馈控制,抑制了柔性关节机械臂在运动过程中由于外力扰动或自身柔性引起的振动。而对于运动停止后存在的残余振动,引入时变输入整形技术对机械臂进行控制。当模型不准确时采用离线方法,获得主振模态随构型变化函数,基于这个函数实时修改输入整形器参数,达到抑制残余振动的目的;当模型准确时通过动力学模型求解特征值获得振动模态随构型变化函数,基于此函数实现自适应输入整形控制,从而实现机械臂的残余振动抑制。上述两种方法针对的是机械臂空载情况;对于带载情况下,采用基于模型的自适应输入整形方法。本文位置控制和振动以及残余振动抑制方法的实现是在第一代四自由度柔性关节轻型机械臂上进行的;而笛卡尔阻抗控制是在第二代五自由度柔性关节轻型机械臂上实现的。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-15
第1章绪论  15-38
  1.1 引言  15-16
  1.2 轻型机械臂的研究发展综述  16-22
    1.2.1 德国宇航中心（DLR）的轻型机械臂  16-17
    1.2.2 德国SCHUNK 公司的轻型机械臂  17-18
    1.2.3 美国NASA 的轻型机械臂  18-19
    1.2.4 美国Foster-Miller 公司的轻型机械臂  19
    1.2.5 美国Barrett 公司的WAM 轻型机械臂  19-20
    1.2.6 欧洲宇航局（ESA）的Beagle2 轻型机械臂  20-21
    1.2.7 日本的 Micro5 轻型机械臂  21
    1.2.8 国内的轻型机械臂  21-22
  1.3 轻型机械臂的结构设计方法综述  22-23
  1.4 具有柔性关节的轻型机械臂的建模与控制方法综述  23-36
    1.4.1 具有柔性关节的轻型机械臂建模综述  24-26
    1.4.2 具有柔性关节的轻型机械臂位置控制方法综述  26-32
    1.4.3 具有柔性关节的轻型机械臂力控制方法综述  32-35
    1.4.4 具有柔性关节的轻型机械臂振动以及残余振动抑制综述  35-36
  1.5 柔性关节轻型机械臂控制存在的问题  36-37
  1.6 课题来源及主要研究内容  37-38
    1.6.1 课题的来源及研究意义  37
    1.6.2 本文的主要研究内容  37-38
第2章柔性关节轻型机械臂的控制系统  38-55
  2.1 引言  38
  2.2 柔性关节轻型机械臂本体描述  38-43
    2.2.1 轻型机械臂的构型选择  38-40
    2.2.2 轻型机械臂杆件长度的设计与优化  40-42
    2.2.3 轻型机械臂整体描述  42-43
  2.3 柔性关节轻型机械臂传感器系统设计  43-46
    2.3.1 关节力矩传感器  43-45
    2.3.2 关节位置传感器  45-46
    2.3.3 电机数字霍尔位置传感器  46
  2.4 柔性关节轻型机械臂硬件系统设计  46-51
    2.4.1 电源系统设计  46-47
    2.4.2 基于Xilinx FPGA 的底层控制系统  47-49
    2.4.3 基于PCI 总线的上层控制系统  49-50
    2.4.4 基于低压差分信号(LVDS)的高速串行总线  50-51
  2.5 轻型机械臂的电气布局  51-54
  2.6 本章小结  54-55
第3章柔性关节轻型机械臂的位置控制研究  55-84
  3.1 引言  55
  3.2 柔性关节轻型机械臂建模  55-60
  3.3 单连杆柔性关节反步法控制  60-66
    3.3.1 单连杆柔性关节反步法控制设计  61-64
    3.3.2 基于S 函数的控制器仿真  64-66
  3.4 柔性关节轻型机械臂神经网络自适应反步控制  66-76
    3.4.1 基本反步控制器的设计  67-70
    3.4.2 神经网络自适应反步控制器的设计  70-74
    3.4.3 基于S 函数的神经网络自适应反步控制器仿真  74-76
  3.5 实验验证  76-82
  3.6 重复定位精度测试  82-83
  3.7 负载能力测试  83
  3.8 本章小结  83-84
第4章柔性关节轻型机械臂阻抗控制研究  84-103
  4.1 引言  84
  4.2 基于反步法笛卡尔阻抗控制柔性关节轻型机械臂  84-90
    4.2.1 基于反步法的笛卡尔阻抗控制器设计  86-89
    4.2.2 阻抗控制器中连杆加速度及加速度微分项的处理  89
    4.2.3 反步法阻抗控制器存在的问题  89-90
  4.3 基于动态面控制的反步法笛卡尔阻抗控制  90-96
    4.3.1 动态面控制技术概述  90
    4.3.2 基于动态面控制技术的笛卡尔阻抗控制器设计  90-92
    4.3.3 与其它方法相比较  92-95
    4.3.4 稳定性分析  95-96
  4.4 实验验证  96-102
    4.4.1 实验平台简介  96-97
    4.4.2 阻抗控制下的位置跟踪  97-98
    4.4.3 笛卡尔阻抗控制  98
    4.4.4 笛卡尔阻抗控制下的柔顺性  98-102
  4.5 本章小结  102-103
第5章柔性关节轻型机械臂振动与残余振动抑制  103-125
  5.1 引言  103
  5.2 基于状态观测器的柔性关节机械臂振动控制  103-109
    5.2.1 状态观测器的必要性  103-104
    5.2.2 基于Luenberger 函数状态观测器的设计  104-106
    5.2.3 基于Luenberger 函数状态观测器的振动抑制仿真  106-109
  5.3 基于输入整形的柔性关节机械臂残余振动抑制  109-123
    5.3.1 输入整形技术的原理与基本整形器  109-114
    5.3.2 输入整形抑制单连杆柔性关节机械臂残余振动  114-117
    5.3.3 时变输入整形技术(TVIST)抑制残余振动  117-122
    5.3.4 基于模型自适应时变输入整形抑制机械臂带载下的残余振动  122-123
  5.4 本章小结  123-125
第6章振动与残余振动抑制实验  125-133
  6.1 引言  125
  6.2 实验验证  125-132
    6.2.1 基于Luenberger 状态观测抑振实验  125-126
    6.2.2 单连杆柔性关节机械臂残余振动抑制实验  126-128
    6.2.3 时变输入整形技术(TVIST) 抑制残余振动实验  128-131
    6.2.4 自适应时变输入整形抑制机械臂带载下的残余振动实验  131-132
  6.3 本章小结  132-133
结论  133-136
参考文献  136-147
附录1 柔性关节动力学模型变量表达式  147-149
攻读学位期间发表的学术论文  149-152
致谢  152-153
个人简历  153

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