仿人靈巧手的EtherCAT通訊系統(tǒng)及阻抗控制研究.pdf

1、機(jī)器人靈巧手是由單手指串聯(lián)機(jī)器人和指間并聯(lián)機(jī)器人組成的機(jī)器人系統(tǒng)，是多領(lǐng)域的交叉技術(shù)的結(jié)合，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)和軟件控制算法設(shè)計(jì)等。本文以HIT/DLR II靈巧手為本體，以國(guó)家科技部863課題“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抓取操作的研究”為背景，目的是設(shè)計(jì)一套通訊速度快，實(shí)時(shí)性好的靈巧手控制平臺(tái)。同時(shí)，該平臺(tái)具有易于實(shí)現(xiàn)HIT/DLR II靈巧手復(fù)雜算法的特點(diǎn)。進(jìn)而，基于此實(shí)時(shí)性控制平臺(tái)，以具體的抓取與操作任務(wù)

2、為目標(biāo)，提出一套可應(yīng)用于靈巧手實(shí)際抓取與操作的阻抗控制器算法策略。
　　本文首先分析了靈巧手通訊的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)有靈巧手通訊存在的問(wèn)題，結(jié)合HIT/DLR II靈巧手自身特點(diǎn)，得出了EtherCAT總線是目前最適合本文設(shè)計(jì) HIT/DLR II靈巧手實(shí)時(shí)性通訊需求的結(jié)論。進(jìn)而，設(shè)計(jì)了一套HIT/DLR II靈巧手的EhterCAT控制系統(tǒng)平臺(tái)，具體包括EtherCAT從站硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA從站 EtherCAT軟件控制器

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì),EtherCAT主站TwinCAT3.1的PLC靈巧手函數(shù)控制層系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及聯(lián)合Matlab/Simulink與TwinCAT3結(jié)合的Simulink模塊算法調(diào)用設(shè)計(jì)。搭建了基于EhterCAT通訊的HIT/DLR II靈巧手控制平臺(tái)，為本文HIT/DLR II靈巧手動(dòng)力學(xué)的建模以及控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)時(shí)性、可靠性的控制平臺(tái)。
　　對(duì)于五指仿人靈巧手動(dòng)力學(xué)模型建模的精確性，有助于更準(zhǔn)確的對(duì)HIT/DLR II靈巧手進(jìn)

4、行精確的位置控制、指尖輸出力控制、力與位置混合控制，以及主動(dòng)柔順控制。本文通過(guò)對(duì)笛卡爾空間下，手指參考坐標(biāo)系的討論，闡述了手指指尖位置、速度、角速度、加速度和角加速度之間的關(guān)系。以單指動(dòng)力學(xué)為前提，通過(guò)對(duì)雙指動(dòng)力學(xué)指間約束關(guān)系的討論，建立了HIT/DLR II靈巧手雙指的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而得到了靈巧手的多指動(dòng)力學(xué)模型。最后，基于EtherCAT三重中斷從站 PDI設(shè)計(jì)方式，將基于乘子法建立的多指動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用到EtherCAT平臺(tái)中，從而

5、確保所提出多指動(dòng)力學(xué)模型的可應(yīng)用性。
　　本文針對(duì)HIT/DLR II靈巧手在等式約束條件下，首先對(duì)靈巧手手指在自由空間無(wú)約束的情況下，對(duì)單手指阻抗控制器解的存在性、充要條件、收斂性和收斂速度進(jìn)行了理論分析，進(jìn)而在靈巧手手指指間有約束的情況下，對(duì)外環(huán)阻抗控制器力優(yōu)化的充要條件和靈敏度進(jìn)行了理論分析，通過(guò)靈敏度函數(shù)得出了拉格朗日乘子λ*隨著靈敏度函數(shù)的增長(zhǎng)而遞減的變化率的結(jié)論。與精確懲罰函數(shù)法、障礙法相比較，基于拉格朗日乘子法算法設(shè)

6、計(jì)的控制器，具有實(shí)時(shí)性更好、指尖力非線性規(guī)劃速度更快和魯棒性更強(qiáng)的特點(diǎn)，所以HIT/DLR II靈巧手基于拉格朗日乘子法理論設(shè)計(jì)阻抗控制器。通過(guò)構(gòu)造增廣拉格朗日函數(shù)LCk(θk,λk)，提出一套雙環(huán)阻抗控制器的指尖力優(yōu)化策略，從而設(shè)計(jì)一種具有等式約束的基于拉格朗日乘子法的阻抗控制器。
　　對(duì)于HIT/DLR II靈巧手實(shí)際操作物體的情況，等式約束僅是一種特例，實(shí)際絕大多數(shù)情況是為了完成某種特定的任務(wù)，從而指尖不等式約束更具有實(shí)用性

7、。因此，本文最后針對(duì)不等式約束抓取問(wèn)題，提出了一套基于拉格朗日乘子法的不等式約束阻抗控制器設(shè)計(jì)策略，即包括了基于Broyden Fletcher Goldfarb Shanno(BFGS)法的無(wú)約束單指力優(yōu)化內(nèi)環(huán)算法和基于Karush Kuhn Tucker(KKT)法的有約束外環(huán)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于EtherCAT的HIT/DLR II靈巧手平臺(tái)，可以達(dá)到高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定性好的操作效果。同時(shí)，本文提出的不等式約束下的雙環(huán)阻抗控制算法