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《哈尔滨工业大学》 2014年
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轻型机械臂系统及其基于无源性理论的柔顺控制研究

张奇  
【摘要】:目前,随着人口老龄化和劳动力资源匮乏等现象日益严重,迫切需要机器人代替人类实现部分操作。机械臂作为机器人关键系统之一,其灵巧操作能力和与环境的友好性,很大程度影响机器人的应用范围。本文结合国家863计划先进制造技术领域“仿人机器人高性能单元与系统”重点项目中灵巧臂课题,进行轻型机械臂系统设计,从控制器结构、关节参数辨识和控制方法等方面深入地研究了轻型机械臂的位置控制、阻抗控制和零力控制等。 本文首先根据轻型机械臂的特点,建立了一套6自由度机械臂系统。由于机械臂关节内部集成了谐波减速器和力矩传感器的柔性元件,本文将轻型机械臂关节作为一种具有弹簧阻尼的柔性关节进行控制。通过分析柔性关节控制,将柔性关节控制律的非线性部分和线性部分分别在基于数字信号处理器(Digital Singnal Processor, DSP)的笛卡尔空间控制器和基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的关节控制器中实现。关节控制器不仅实现了传感器信息的采集和处理等功能,而且包含了采用高速硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, VHDL)编写的电机矢量控制模块,电机矢量控制的周期可以达到50s,为关节控制周期的1/4,保证了电机能够跟踪柔性关节控制器给出的期望电机力矩。在关节控制器基础上,根据电机电流信息、关节力矩信息、电机速度信息等,通过设计不同的实验实现了柔性关节关键参数的辨识,例如关节刚度、阻尼和摩擦力等,为后续柔性关节控制的仿真和实验提供了准确的模型参数。 在柔性关节控制理论方面,本文首先将柔性关节系统简化为具有明确物理含义的端口受控的耗散Hamiltonian系统(Port controlled Hamiltonian Systemswith Dissipation, PCHD)形式,然后,通过分析PCHD系统中连接矩阵和阻尼矩阵的形式,以及研究传统的无源性控制方法,提出了一种采用连接和阻尼配置的无源性控制方法(IDA PBC)用以实现柔性关节机械臂的柔顺控制。该方法通过改变闭环系统的连接矩阵和阻尼矩阵实现对系统能量整形和阻尼注入,使得闭环系统在期望的位置处渐进稳定。最后,在Simulink仿真环境中借助SimMechanics工具箱搭建了柔性关节模型和关节控制器,仿真结果验证了上述方法的有效性。 考虑到摩擦力对柔性关节机械臂的性能影响较大,尤其在低速、低刚度的阻抗控制的情形下,因此本文利用IDA PBC方法设计了动态摩擦观测器。该动态摩擦补偿方法不仅改善了轻型机械臂的位置和力跟踪性能,而且保证了机械臂控制系统的稳定性。通过6自由度轻型机械臂柔性关节实验验证了摩擦补偿的有效性。结果显示,在位置控制中,加入动态摩擦补偿的柔性关节系统的位置精度和力矩抖动抑制效果都有了明显的提高;此外,在阻抗控制实验中,采用动态摩擦补偿的控制也具有更好的力跟踪效果。 最后,将上述研究成果集成到轻型机械臂系统中,通过实现笛卡尔空间的位置跟踪、阻抗控制和零力控制等实验,验证了轻型机械臂系统及控制算法的有效性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP241;TP273

【参考文献】
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