一種一種新的多發(fā)性三步電機(jī)控制模式

如果手動(dòng)操作對(duì)象，不僅要完成自由空間中的跟蹤，還要實(shí)現(xiàn)限制范圍內(nèi)的精確力控制?；谖墨I(xiàn)提出的位力混合控制和控制模式的變化，控制信號(hào)的不連續(xù)性和基于手指的不穩(wěn)定度。文獻(xiàn)提出的抗逆效應(yīng)控制在很大程度上取決于操作員對(duì)環(huán)境知識(shí)的理解。在實(shí)際應(yīng)用中，很難精確地控制位置，提高強(qiáng)度。文件提出了跟蹤策略，但許多參數(shù)調(diào)整使調(diào)試復(fù)雜化，部分參數(shù)的初始選擇不足，這將影響初始多臂圖像采集的穩(wěn)定性。本文基于阻抗控制的思想,在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出一種機(jī)器人多指手實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取的力控制策略.該策略以力矩控制作為基本的控制器,在自由空間引入位置信號(hào)作為期望力的輸入信號(hào),在約束空間采用力矩控制,兩種控制模式的切換采用觀測(cè)器.控制系統(tǒng)由基于力的阻抗控制器、觀測(cè)器和力矩控制器組成.與位/力混合控制相比,該方法在自由空間、過(guò)渡過(guò)程及約束空間都采用同一個(gè)力矩控制器,本質(zhì)上不存在控制器的切換,有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性.與阻抗控制相比,該方法在自由空間利用引入的位置信號(hào)可以對(duì)手指進(jìn)行位置控制,在過(guò)渡空間利用阻抗控制柔順性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡,同時(shí)在約束空間又可以實(shí)現(xiàn)精確的力跟蹤.1基于關(guān)節(jié)疲勞位置的力管理系統(tǒng)1.1期望力向量控制多指靈巧手抓取需要手指對(duì)物體施加恒定的抓取力.在HIT/DLR靈巧手中,手指裝有3個(gè)關(guān)節(jié)力矩傳感器,可以實(shí)現(xiàn)手指在三維空間中任意方向的力輸出.設(shè)Fd=[Fdx,Fdy,Fdz]T表示指尖所施加的三維期望力向量.τjd=[τjd1,τjd2,τjd3]T表示手指的關(guān)節(jié)期望力矩向量,通過(guò)力雅可比矩陣JTF(θ),可把期望指尖力映射為期望的關(guān)節(jié)力矩τjd=JTF(θ)Fd.PID控制以其算法的有效性和簡(jiǎn)易性在機(jī)器人的力控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用.本文采用PID控制結(jié)合重力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的力矩控制.控制函數(shù)為uc=Kpe(t)+ΚΙ∫e(t)dt+ΚDdθ(t)dtKI∫e(t)dt+KDdθ(t)dt+Tg(θ(t)),式中:e(t)=Td(t)-Tr(t)為關(guān)節(jié)力矩誤差,Td和Tr分別為期望力矩和實(shí)際力矩;θ(t)為關(guān)節(jié)的實(shí)際位置;KP,KI和KD分別為力矩控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);Tg(θ(t))為關(guān)節(jié)所受的重力補(bǔ)償項(xiàng);uc是控制器的輸出.為克服力矩傳感器信號(hào)噪聲的影響,在反饋環(huán)中以關(guān)節(jié)速度代替力矩的直接微分,速度反饋?lái)?xiàng)可以增加系統(tǒng)的阻尼,有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減小力超調(diào).1.2機(jī)器人植物抗級(jí)分析手指在接近物體階段,需要在自由空間中進(jìn)行位置控制.為了保證手指從自由空間到約束空間過(guò)渡過(guò)程的平穩(wěn),在關(guān)節(jié)力矩控制的基礎(chǔ)上,引入關(guān)節(jié)位置信號(hào),這樣關(guān)節(jié)控制就轉(zhuǎn)化為基于力的阻抗控制.內(nèi)環(huán)由以上所述的力矩控制器組成,外環(huán)由引入位置信號(hào)的阻抗計(jì)算環(huán)節(jié)組成.當(dāng)手指在自由空間運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人與物體之間的作用力為零,此時(shí)阻抗控制器內(nèi)環(huán)的力控制器不起作用,只有外環(huán)的位置控制器起作用,相當(dāng)于位置控制,所以能實(shí)現(xiàn)自由空間的位置跟蹤.同時(shí)在自由空間到約束空間的過(guò)渡過(guò)程中,手指與物體有接觸力的作用,利用阻抗控制的柔順性,可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡.機(jī)器人靈巧手的目標(biāo)阻抗模型可以表示為-Fext=Κd(Xd-X)+Bd(˙Xd-˙X)+Μd(¨Xd-¨X),?Fext=Kd(Xd?X)+Bd(X˙d?X˙)+Md(X¨d?X¨),式中:Fext為手指與環(huán)境接觸時(shí)手指所受的力;Kd,Bd和Md分別為目標(biāo)剛度矩陣、目標(biāo)阻尼矩陣和目標(biāo)慣性矩陣;X,˙XX˙和¨XX¨分別為指尖的實(shí)際位置、速度和加速度向量;Xd,˙XX˙d和¨XX¨d分別為指尖的期望位置、速度和加速度向量.對(duì)靈巧手合理地選擇阻抗參數(shù),就能保證手指與環(huán)境接觸后運(yùn)動(dòng)的平滑性.在機(jī)器人手指的能量需要被快速吸收和消耗掉的情況下,應(yīng)選擇較大的阻尼.在實(shí)際的機(jī)器人控制系統(tǒng)中,由于傳感器的噪聲和精度等對(duì)加速度的誤差影響很大,有可能導(dǎo)致手指控制的不穩(wěn)定.另外手指的質(zhì)量比較小,手指阻抗中的慣性項(xiàng)Μd(¨Xd-¨X)Md(X¨d?X¨)對(duì)手指的控制影響不大,故將慣性參數(shù)Md設(shè)為零.阻抗控制器的實(shí)現(xiàn)方法如下:指尖期望位置Xd來(lái)源于任務(wù)規(guī)劃,關(guān)節(jié)的期望位置θjd=L-1(Xd),式中L-1表示手指的逆運(yùn)動(dòng)學(xué).期望位置θjd經(jīng)軌跡規(guī)劃后,可得到規(guī)劃的關(guān)節(jié)位置和速度θtrd和˙θθ˙trd.關(guān)節(jié)的期望力矩τd=Κd(θtrd-θr)+Bd(˙θtrd-˙θr).τd=Kd(θtrd?θr)+Bd(θ˙trd?θ˙r).這樣利用反饋的關(guān)節(jié)位置和速度信號(hào),控制器就可實(shí)現(xiàn)自由空間的位置控制,同時(shí)又能保證過(guò)渡過(guò)程的柔順性.1.3多元控制模式下的摩擦補(bǔ)償控制系統(tǒng)觀測(cè)器根據(jù)傳感器的力矩信息和上位機(jī)控制器的指令,實(shí)現(xiàn)控制模式的正確切換.其流程如圖1所示.首先輸入手指的期望位置Xd和期望力Fd.當(dāng)運(yùn)行標(biāo)志位Flag為1時(shí),運(yùn)行該程序.這里取基關(guān)節(jié)俯仰力矩τr2作為控制器的切換變量.當(dāng)基關(guān)節(jié)力矩τr2大于切換力矩閾值τthr時(shí),控制模式由1轉(zhuǎn)為2,此時(shí)關(guān)節(jié)由位置控制轉(zhuǎn)為力矩控制.當(dāng)手指離開(kāi)物體時(shí),通過(guò)控制期望位置Xd和期望力Fd,使手指重新進(jìn)入模式1的阻抗控制.整個(gè)機(jī)器人多指手位置/力矩的控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示.核心控制器為關(guān)節(jié)力矩控制,控制模式由觀測(cè)器根據(jù)輸入?yún)?shù)和力矩傳感器的數(shù)值進(jìn)行選擇,模式1為阻抗控制,模式2為力矩控制.該控制器控制手指是從自由空間運(yùn)動(dòng)到約束空間實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行穩(wěn)定抓取.手指在自由空間運(yùn)動(dòng)時(shí),經(jīng)過(guò)重力補(bǔ)償后的關(guān)節(jié)力矩傳感器為零,觀測(cè)器將手指的控制開(kāi)關(guān)設(shè)置為模式1,這時(shí)阻抗控制器的內(nèi)環(huán)不起作用,只有外環(huán)的位置控制在起作用,可以實(shí)現(xiàn)自由空間的位置跟蹤.當(dāng)手指與物體接觸時(shí),關(guān)節(jié)力矩傳感器感應(yīng)到的力矩信號(hào)使阻抗控制的內(nèi)環(huán)起作用,開(kāi)關(guān)存在阻尼特性,可以保證過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性.當(dāng)關(guān)節(jié)力矩大于設(shè)定的閾值時(shí),系統(tǒng)觀測(cè)器將控制轉(zhuǎn)換為模式2,手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)為力矩控制,從而實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)精確的力矩跟蹤.2期望軌跡規(guī)劃及控制參數(shù)為了驗(yàn)證控制策略的有效性,本文采用HIT/DLR多指靈巧手作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái).該手有4個(gè)手指,每個(gè)手指有3個(gè)自由度,各手指的3個(gè)關(guān)節(jié)分別裝有力矩傳感器和位置傳感器.為使靈巧手平滑地跟蹤期望位置和關(guān)節(jié)力矩,采用文獻(xiàn)中的四次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃對(duì)軌跡進(jìn)行差補(bǔ).實(shí)驗(yàn)中采樣周期Tc=1ms,軌跡時(shí)間段TI=200ms,加速度時(shí)間Tacc=30ms.將插補(bǔ)得到的期望軌跡序列(τtrd,θtrd,˙θθ˙trd)作為相應(yīng)控制周期內(nèi)關(guān)節(jié)的期望值.關(guān)節(jié)力矩控制器的PID控制參數(shù)取值為KP=220,KI=0.035,KD=35;目標(biāo)剛度Kdi=170N·mm/(°),目標(biāo)阻尼Bdi=2150N·mm·s/(°).2.1期望位置和初始位置實(shí)驗(yàn)使手指關(guān)節(jié)在自由空間對(duì)正旋曲線進(jìn)行位置跟蹤.離散化后的正旋軌跡表達(dá)式為θjd(k)=θ0+θf(wàn)sin(2πfkΤc),θjd(k)=θ0+θf(wàn)sin(2πfkTc),式中:θjd,θ0和θf(wàn)分別是關(guān)節(jié)的期望位置、初始位置和幅值;k為采樣時(shí)刻;f和Tc分別是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率和系統(tǒng)的控制周期.實(shí)驗(yàn)中正旋軌跡的參數(shù)為θ0=30°,θf(wàn)=30°,f=0.0926Hz.手指關(guān)節(jié)在自由空間運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)觀測(cè)器將控制開(kāi)關(guān)設(shè)為模式1.此時(shí)控制器為阻抗控制,但由于阻抗控制器只有外環(huán)的位置控制在起作用,關(guān)節(jié)進(jìn)行位置跟蹤.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.可以看出在自由空間中,雖然控制器的內(nèi)環(huán)有力矩信號(hào)的干擾噪聲,但對(duì)經(jīng)過(guò)軌跡規(guī)劃的位置信號(hào)有很強(qiáng)的跟蹤能力,可以控制手指關(guān)節(jié)到達(dá)期望的位置.2.2期望應(yīng)力跟蹤控制圖4是手指關(guān)節(jié)在約束空間中的力矩跟蹤曲線.此時(shí)控制器為力矩控制,系統(tǒng)觀測(cè)器將控制開(kāi)關(guān)設(shè)為模式2.設(shè)定關(guān)節(jié)的期望力矩τjd為50N·mm→200N·mm→600N·mm→350N·mm.對(duì)期望的力矩經(jīng)過(guò)規(guī)劃后,利用手指關(guān)節(jié)的力矩控制器,對(duì)期望的力矩進(jìn)行跟蹤.結(jié)果顯示:關(guān)節(jié)力矩控制器可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)力矩跟蹤,可以滿足精確的指尖抓取力要求.2.3位置/穩(wěn)定性控制各關(guān)節(jié)力矩閾值根據(jù)抓取物體的力封閉條件和關(guān)節(jié)力矩傳感器的信號(hào)噪聲設(shè)定.當(dāng)手指與物體的接觸力達(dá)到相應(yīng)的閾值時(shí),立即進(jìn)行控制模式的切換,進(jìn)行精確的力跟蹤.圖5是手指從自由空間到約束空間的關(guān)節(jié)力矩跟蹤曲線.手指先在自由空間運(yùn)動(dòng),接近物體.系統(tǒng)觀測(cè)器將控制開(kāi)關(guān)設(shè)為模式1的阻抗控制,進(jìn)行位置跟蹤.關(guān)節(jié)從自由空間開(kāi)始運(yùn)動(dòng),跟蹤由期望位置產(chǎn)生的虛擬力矩,在1.8s時(shí)與物體進(jìn)行接觸,由于關(guān)節(jié)具有阻尼特性,因此吸收部分沖擊能量,從而使手指接觸平穩(wěn).當(dāng)關(guān)節(jié)實(shí)際力矩超過(guò)規(guī)定的閾值25N·mm時(shí),觀測(cè)器將控制開(kāi)關(guān)設(shè)為模式2的力矩控制,對(duì)手指關(guān)節(jié)進(jìn)行力矩跟蹤,跟蹤的關(guān)節(jié)力矩為200N·mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:手指可以在自由空間中運(yùn)動(dòng)到抓取位置,進(jìn)行精確的力跟蹤,并且實(shí)