柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制及其仿真研究.pdf

1、目前，多連桿機(jī)械臂的研究方向之一是在保證控制和操作性能不變(甚至更高)的前提下減輕其重量。這一需求始于對(duì)空間機(jī)械臂的研究，并擴(kuò)展到了醫(yī)用、服務(wù)、甚至工業(yè)機(jī)械臂的研發(fā)中。重量減輕的好處是不言而喻的，但勢(shì)必會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)柔性的增加。而系統(tǒng)柔性的增加對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是具有挑戰(zhàn)性的。這意味著人們要面對(duì)高階非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題。本文重點(diǎn)研究柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題。提高柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題折騰了各國(guó)控制專家很多年，但所得到的具有實(shí)

2、用價(jià)值的結(jié)果卻很有限。同其他研究領(lǐng)域所遇到的問(wèn)題類似，主要難度在于未知因素太多。本論文旨在理清思路并試圖在這一控制問(wèn)題的研究中能夠前進(jìn)一步。
　　眾所周知，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)可以分解為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)，關(guān)節(jié)力矩的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械臂慢動(dòng)力學(xué)(等價(jià)于剛體機(jī)械臂動(dòng)力學(xué))，其最終系統(tǒng)模型是一個(gè)五階非線性系統(tǒng)。事實(shí)上，控制理論界對(duì)這樣一個(gè)高階的，帶有不確定性的非線性多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題始終沒(méi)有一個(gè)滿意的答案。特別是要求得到的控制算法不

3、能過(guò)于復(fù)雜，不能使用過(guò)多的傳感器，不能損傷動(dòng)作器等等。本項(xiàng)研究的關(guān)鍵特性之一就是重點(diǎn)解決動(dòng)力學(xué)模型中諸如參數(shù)偏差和外部干擾等系統(tǒng)不確定性,從而達(dá)到對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置。就控制性能而言，可以認(rèn)為系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高境界，因?yàn)樗鼜睦碚撋媳ＷC了能使系統(tǒng)的響應(yīng)任意地快。這一設(shè)計(jì)宗旨始終貫穿整個(gè)研究工作。
　　論文首先評(píng)價(jià)了目前存在的對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的各種控制方法,其中包括:基于反饋線性化的狀態(tài)空間方法，動(dòng)態(tài)反饋線性化

4、方法，奇異攝動(dòng)及積分流型方法，積分反步法，基于無(wú)源系統(tǒng)的控制方法，自適應(yīng)控制技術(shù)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，簡(jiǎn)單PD(或PID)控制，變結(jié)構(gòu)及滑模控制方法。論文作者認(rèn)為，奇異攝動(dòng)(主要指積分流型)方法，基于無(wú)源系統(tǒng)的控制方法和滑?？刂品椒ㄊ潜容^有前景的控制方法，因?yàn)樗鼈兓蛘咭胛锢硇畔⒒蛘呃帽豢叵到y(tǒng)的物理特性從而得到簡(jiǎn)單有效的控制結(jié)果。論文指出了現(xiàn)代滑?？刂评碚撛谌嵝躁P(guān)節(jié)機(jī)械臂控制中的巨大應(yīng)用潛力。
　　在論文的主體部分先探討了有

5、關(guān)永磁同步電機(jī)的先進(jìn)控制方法，其中包括永磁同步電機(jī)弱磁運(yùn)行方式即最大力矩方式算法的詳細(xì)推導(dǎo)及與傳統(tǒng)常功率方式的比較，這使得電機(jī)的最大運(yùn)行速度得以進(jìn)一步地提高。這一點(diǎn)在空間機(jī)器人即柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的應(yīng)用中尤為重要。其次，基于積分滑?？刂评碚撎岢隽艘环N用于剛體機(jī)械臂軌跡跟蹤控制的魯棒控制方法。盡管存在系統(tǒng)不確定性，這種控制方法具有極點(diǎn)配置能力并可用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的外環(huán)控制。為了減弱由滑?？刂扑鸬亩墩瓞F(xiàn)象，將積分滑模的概念用于對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的

6、估計(jì)，以此作為擾動(dòng)補(bǔ)償器對(duì)由于各種原因所引起的綜合擾動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。論文指出，使用一個(gè)低通濾波器并調(diào)節(jié)其時(shí)間常數(shù)可以在積分滑?？刂品ㄅc該系統(tǒng)擾動(dòng)估計(jì)法(后者具有準(zhǔn)連續(xù)的控制輸入)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此可以兼顧系統(tǒng)魯棒性和抖震衰減。以上關(guān)于永磁同步電機(jī)和剛體機(jī)械臂控制的研究為處理柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂最內(nèi)部和最外部的動(dòng)力學(xué)打好基礎(chǔ)。
　　剩下的問(wèn)題就是如何處理中間的關(guān)節(jié)力矩動(dòng)力學(xué)了。論文提出并對(duì)比了幾種關(guān)節(jié)力矩的控制方法。其中包括PD控制法，直接

7、滑?？刂品盎９烙?jì)器方法。論文證明PD控制法與傳統(tǒng)滑?？刂浦袨闇p弱抖震現(xiàn)象而引入的邊界層方法是等價(jià)的。但是，由于PD控制法結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單而且粗暴(為跟蹤快速變化的參考力矩信號(hào)控制器增益要調(diào)得很高)，它不適用于對(duì)關(guān)節(jié)力矩的跟蹤控制，特別是存在更外部的控制環(huán)路時(shí)，容易造成整個(gè)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所提出的直接滑模控制法同時(shí)考慮了交流電機(jī)的解耦控制問(wèn)題并充分利用了定子抽頭電壓固有的不連續(xù)性以解決由滑?？刂扑鸬亩墩饐?wèn)題。其基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理

8、論和三相交流電機(jī)物理特性的穩(wěn)定性證明是本論文的亮點(diǎn)之一。這一方法的突出優(yōu)點(diǎn)是:力矩控制系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)力矩模型中的諸項(xiàng)不確定性都具有魯棒性。因?yàn)樗鼪](méi)有內(nèi)部電流環(huán)，因此系統(tǒng)響應(yīng)也快。第三種關(guān)節(jié)力矩控制方法即滑模估計(jì)器方法實(shí)際上是一種自適應(yīng)方法，即對(duì)系統(tǒng)的綜合擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并加以補(bǔ)償從而達(dá)到極點(diǎn)配置的目的。這一控制方法需要較多的控制器參數(shù)但不需要關(guān)節(jié)力矩信號(hào)的二階導(dǎo)數(shù)。關(guān)節(jié)力矩控制被認(rèn)定為現(xiàn)代柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制的主要特征之一。
　　用關(guān)節(jié)力矩

9、控制取代剛體機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的電流控制，從而將為剛體機(jī)械臂所開(kāi)發(fā)的各種外環(huán)控制算法(諸如關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間的位置軌跡跟蹤控制及機(jī)械阻抗控制等)應(yīng)用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)中，是本論文所要努力的方向之一，其好處是顯而易見(jiàn)的。這一思路將柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制的難點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了關(guān)節(jié)力矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題中。事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)證明，這一關(guān)節(jié)力矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是具有挑戰(zhàn)性的。與電機(jī)電流的動(dòng)力學(xué)不同，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩的動(dòng)力學(xué)具有更多﹑更快﹑更強(qiáng)的擾動(dòng)項(xiàng)(而

10、前者只有較慢的感生電動(dòng)勢(shì)一項(xiàng))。
　　最后，基于提出的關(guān)節(jié)力矩控制器比較了三種柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂位置跟蹤控制方法。這些方法包括，基于奇異攝動(dòng)理論的位置控制法，使用擴(kuò)展正則(Extended-Regular-Form)分塊控制概念的位置控制法，基于滑模估計(jì)器的級(jí)聯(lián)位置控制法。其中奇異攝動(dòng)法簡(jiǎn)單有效，但依賴于系統(tǒng)參數(shù)(主要是關(guān)節(jié)剛度)。擴(kuò)展正則型法(內(nèi)環(huán)使用直接滑模關(guān)節(jié)力矩控制)的控制效果最好，但當(dāng)考慮關(guān)節(jié)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)時(shí)這一方法需要關(guān)節(jié)力

11、矩信號(hào)的二階導(dǎo)數(shù)。而基于滑模估計(jì)器的級(jí)聯(lián)位置控制法不需要力矩信號(hào)的二階導(dǎo)數(shù)，但需要較多的控制器參數(shù)和內(nèi)部電流控制環(huán)。這些比較研究的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí):在控制高階不確定系統(tǒng)時(shí)沒(méi)有免費(fèi)的午餐，除非降低對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求(即降低參考輸入的頻率和幅度)。而解決問(wèn)題的主要途徑應(yīng)該是引入附加的物理約束或信息。
　　就研究工作的方法論而言，論文作者不主張使用大量的數(shù)學(xué)推演來(lái)解決問(wèn)題，而是著眼于對(duì)物理系統(tǒng)的深入理解和充分利用，以求得到的控制算法具有盡量

12、簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式并具有直觀的物理意義和通用性。作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工具本項(xiàng)研究使用了滑?？刂评碚撝械淖钚陆Y(jié)果，如積分滑?？刂萍跋嚓P(guān)的系統(tǒng)擾動(dòng)估計(jì)等方法。
　　如前所述，對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制進(jìn)行研究的特殊性在于如何處理關(guān)節(jié)力矩動(dòng)力學(xué)。然而，實(shí)踐中的一些限制，諸如關(guān)節(jié)力矩傳感器的非理想因素(噪音、偏置、時(shí)延、非線性和其他時(shí)變因素)，阻止了關(guān)節(jié)力矩控制在實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用。盡管如此，這并不意味著對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制策略的研究(諸如控