[科普中國(guó)]-機(jī)械臂

機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)是由視覺傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械臂系統(tǒng)又包括模塊化機(jī)械臂和靈巧手兩部分。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建模型如圖1 所示．2

機(jī)械臂建模模型不確定性主要分為兩種主要類型:結(jié)構(gòu)(structured)不確定性和非結(jié)構(gòu)(unstructured)不確定性, 非結(jié)構(gòu)不確定性主要是由于測(cè)量噪聲、外界干擾及計(jì)算中的采樣時(shí)滯和舍入誤差等非被控對(duì)象自身因素所引起的不確定性。結(jié)構(gòu)不確定性和建模模型本身有關(guān), 可分為

①參數(shù)不確定性 如負(fù)載質(zhì)量、連桿質(zhì)量、長(zhǎng)度及連桿質(zhì)心等參數(shù)未知或部分已知。

②未建模動(dòng)態(tài) 高頻未建模動(dòng)態(tài), 如執(zhí)行器動(dòng)態(tài)或結(jié)構(gòu)振動(dòng)等;低頻未建模動(dòng)態(tài), 如動(dòng)/靜摩擦力等。

模型不確定性給機(jī)械臂軌跡跟蹤的實(shí)現(xiàn)帶來影響, 同時(shí)部分控制算法受限于一定的不確定性。目前應(yīng)用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要包括PID控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等, 然而由于它們自身所存在的缺陷, 促使其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等算法相結(jié)合, 一些新的控制方法也在涌現(xiàn), 很多算法是彼此結(jié)合在一起的。1

柔性機(jī)械臂研究背景近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高速,、高精度, 高負(fù)載自重比的機(jī)器人結(jié)構(gòu)受到工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。由于運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)的增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形從而使任務(wù)執(zhí)行的精度降低。所以，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。柔性機(jī)械臂是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程具有非線性, 強(qiáng)耦合, 實(shí)變等特點(diǎn)。而進(jìn)行柔性臂動(dòng)力學(xué)問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機(jī)械臂不僅是一個(gè)剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機(jī)電耦合的非線性系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。一般控制系統(tǒng)的描述( 包括時(shí)域的狀態(tài)空間描述和頻域的傳遞函數(shù)描述) 與傳感器/ 執(zhí)行器的定位，從執(zhí)行器到傳感器的信息傳遞以及機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。3

建模理論柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler 方程這兩個(gè)最具代表性的方程。 另外比較常用的還有變分原理, 虛位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性體變形的描述是柔性機(jī)械臂系統(tǒng)建模與控制的基礎(chǔ)。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時(shí)變形的描述與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解關(guān)系密切。3

柔性體變形的描述主要有以下幾種：

1) 有限元法；

2) 有限段法；

3) 模態(tài)綜合法；

4) 集中質(zhì)量法；

動(dòng)力學(xué)方程的建立無論是連續(xù)或離散的動(dòng)力學(xué)模型，其建模方法主要基于兩類基本方法：矢量力學(xué)法和分析力學(xué)法。應(yīng)用較廣泛同時(shí)也是比較成熟的是Newton-Euler 公式、Lagrange 方程、變分原理、虛位移原理和Kane 方程。3

控制策略對(duì)柔性機(jī)械臂的控制一般有如下方式,

1) 剛性化處理。完全忽略結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)的影響。 例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機(jī)械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度 NASA 的遙控太空手運(yùn)動(dòng)的最大角速度為0.5deg/s。

2) 前饋補(bǔ)償法。將機(jī)械臂柔性變形形成的機(jī)械振動(dòng)看成是對(duì)剛性運(yùn)動(dòng)的確定性干擾 而采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消這種干擾。 德國(guó)的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。 張鐵民研究了基于利用增加零點(diǎn)來消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法設(shè)計(jì)了具有時(shí)間延時(shí)的前饋控制器 和PID 控制器比較起來 可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。 Seering Warren P。 等學(xué)者對(duì)前饋補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

3) 加速度反饋控制。Khorrami FarShad 和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反饋控制柔性機(jī)械臂的末端軌跡控制問題。

4) 被動(dòng)阻尼控制。為降低柔性體相對(duì)彈性變形的影響 選用各種耗能或儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)以控制振動(dòng)。 或者在柔性梁上采用阻尼減振器、阻尼材料、復(fù)合型阻尼金屬板、、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結(jié)構(gòu)均屬于被動(dòng)阻尼控制。 近年來 粘彈性大阻尼材料用于柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制已引起高度重視。RoSSi Mauro 和Wang David研究了柔性機(jī)器人的被動(dòng)控制問題。

5) 力反饋控制法。柔性機(jī)械臂振動(dòng)的力反饋控制實(shí)際上是基于逆動(dòng)力學(xué)分析的控制方法 即根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析 通過臂末端的給定運(yùn)動(dòng)求得施加于驅(qū)動(dòng)端的力矩 并通過運(yùn)動(dòng)或力檢測(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償。

6) 自適應(yīng)控制。采用組合自適應(yīng)控制 將系統(tǒng)劃分成關(guān)節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。 利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則來辨識(shí)柔性機(jī)械臂的不確定性參數(shù)。對(duì)具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機(jī)械臂進(jìn)行了跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。 控制器的設(shè)計(jì)是依據(jù)Lyapunov 方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。 通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)。 用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

7) PID 控制。PID 控制器作為最受歡迎和最廣泛應(yīng)用的控制器, 由于其簡(jiǎn)單、 有效、 實(shí)用, 被普遍地用于剛性機(jī)械臂控制, 常通過調(diào)整控制器增益構(gòu)成自校正PID 控制器或與其它控制方法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善PID 控制器性能。

8) 變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng), 其中滑?？刂剖亲钇毡榈淖兘Y(jié)構(gòu)控制。 其特點(diǎn);在切換面上, 具有所謂的滑動(dòng)方式, 在滑動(dòng)方式中系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)保持不敏感, 同時(shí), 它的軌跡位于切換面上, 滑動(dòng)現(xiàn)象并不依賴于系統(tǒng)參數(shù), 具有穩(wěn)定的性質(zhì)。 變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì), 不需要機(jī)械臂精確的動(dòng)態(tài)模型, 模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個(gè)控制器。

9) 模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語言控制器, 可反映人在進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的思維特點(diǎn)。 其主要特點(diǎn)之一是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不需要通常意義上的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型, 而是需要操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí), 操作數(shù)據(jù)等。3

研究意義與剛性機(jī)械臂相比較, 柔性機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)輕、載重/ 自重比高等特性, 因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率, 其響應(yīng)快速而準(zhǔn)確, 有著很多潛在的優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域中占有十分重要的地位. 隨著宇航業(yè)及機(jī)器人業(yè)的飛速發(fā)展, 越來越多地采用由若干個(gè)柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng).。傳統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)的分析方法及控制方法己不能滿足多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力分析及控制的要求. 柔性機(jī)械臂作為最簡(jiǎn)單的非平凡多柔體系統(tǒng), 被廣泛地用作多柔體系統(tǒng)的研究模型。4