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      機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)及軌跡規(guī)劃研究

      2014-04-29 22:38:03史為民
      中國機械 2014年11期
      關(guān)鍵詞:機械臂控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)

      史為民

      【摘要】關(guān)節(jié)是機械臂中相當核心的構(gòu)成要素之一,其在整個機械臂的運動過程當中,需要完成的動作包括:動力產(chǎn)生、動力傳遞、運動精度控制、運動平穩(wěn)性控制、以及運動安全性控制這幾個方面。在當前技術(shù)條件支持下,機械臂關(guān)節(jié)部分的主要構(gòu)成元素涉及到以下幾個方面:其一為建立在電機基礎(chǔ)之上的動力源,其二為行星齒輪或諧波齒輪所構(gòu)成的傳動裝置,其三為位置傳感器裝置,其四為限速管理裝置,其五為數(shù)據(jù)采集與處理電路,其六為驅(qū)動電路,其七為運動軸系部分。文章以機械臂關(guān)節(jié)控制作為研究視角,首先分析了在考慮柔性系統(tǒng)概念下的機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)控制要點,進而簡要分析了幾類有關(guān)機械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤規(guī)劃的技術(shù)方法,希望以上問題能夠引起各方工作人員的高度關(guān)注與重視。

      【關(guān)鍵詞】機械臂;關(guān)節(jié);控制系統(tǒng);軌跡規(guī)劃

      本文在對柔性系統(tǒng)影響下,機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)要點進行分析的同時,探討了機械臂關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的主要方法,具體研究如下:

      1.機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)動力學建模分析

      在本文針對機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)數(shù)學模型進行構(gòu)建與分析的過程當中,主要借助的技術(shù)方法有兩個方面,其一為牛頓-歐拉分析方法,其二為拉格朗日分析方法。前者為作用力的平衡研究方法,需要從運動學的視角上入手,求解被分析對象在運動過程當中加速度水平,對內(nèi)力作用予以消除。后者為建立在能量平衡基礎(chǔ)之上的分析方法,僅需要完成對加速度的分析工作,省略對內(nèi)力作用問題的分析。因此,在機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)力學分析中更具優(yōu)勢。對于機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)而言,在拉格朗日方法下所構(gòu)建的方程主要與以下影響因素相關(guān):其一為動能取值,其二為位能取值,其三為整個機械臂控制系統(tǒng)所對應(yīng)的廣義坐標,其四為整個機械臂控制系統(tǒng)所對應(yīng)的廣義速度;其五為與廣義坐標相對應(yīng)的廣義力;其六為與廣義坐標相對應(yīng)的廣義力矩取值。下圖(見圖1)即為雙連桿剛性機械臂所對應(yīng)的坐標示意圖。

      圖1:雙連桿剛性機械臂坐標示意圖

      結(jié)合圖1來看,假定整個雙連桿機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以正常狀態(tài)運行,且運行期間所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩作用力為t1~2,質(zhì)量為m1~2,以連桿末端點質(zhì)量表示,長度取值為,l1~2。

      根據(jù)動力學建模分析認為:整個機械臂關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)的主要組成部分包括諧波齒輪減速器以及伺服電機兩個方面。為了利用拉格朗日方法推定機械臂關(guān)節(jié)控制所對應(yīng)的動力學方程,就需要結(jié)合機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實際運行狀態(tài),明確與之相對應(yīng)的動能表達式以及勢能表達式。與常規(guī)意義上剛性機械臂的不同點在于:對于具有多個柔性關(guān)節(jié)的機械臂而言,動能衡量中除需要考量多個剛性連桿的動能以外,還應(yīng)當考量多個電機轉(zhuǎn)子所對應(yīng)的動能。同時,從重力勢能的角度上來說,需要考慮的組成部分包括伺服電機以及機械臂兩個方面。根據(jù)以上分析,關(guān)節(jié)柔性可以直接視作電機轉(zhuǎn)子與下一連桿中間位置的線性彈簧,與之相對應(yīng)的機械臂柔性關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖如續(xù)團所示(見圖2)。

      圖2:機械臂柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

      2.機械臂關(guān)節(jié)控制軌跡規(guī)劃方法分析

      首先,是建立在自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。本方法實質(zhì)上是一種基于過程的控制方法,控制功能的實現(xiàn)不需要進行專門建模處理,實現(xiàn)簡單。有關(guān)人員提出可以通過對非線性奇異攝動方法的應(yīng)用,在機械臂關(guān)節(jié)PID控制中增設(shè)速度觀測器,通過該觀測器,對機械臂關(guān)節(jié)的輸出速度進行觀察與記錄??刂破鲀?nèi)部組成部分包括自適應(yīng)的PID部分以及前饋部分兩個方面,前者能夠確保機械臂關(guān)節(jié)運動狀態(tài)下所對應(yīng)動力學瞬時響應(yīng)的穩(wěn)定,后者能夠發(fā)揮補償控制功能,對期望驅(qū)動力補償系統(tǒng)所對應(yīng)的非線性動力學進行計算。在此基礎(chǔ)之上,有關(guān)人員嘗試將傅里葉級數(shù)引入軌跡規(guī)劃中,通過對輸入信號所對應(yīng)傅里葉系數(shù)的辨識來學習信號,以確保獲取指數(shù)穩(wěn)定的誤差動力學,提高整個控制方法下的運動軌跡跟蹤誤差精度,兼顧對動態(tài)、靜態(tài)性能的提升。

      其次,是建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。本方法作用于機械臂關(guān)節(jié)運動軌跡規(guī)劃中的主要優(yōu)勢在于:學習能力強大,整體結(jié)構(gòu)具有并行分布式特性,對于各種復雜的非線性關(guān)系有良好的逼近效果,且魯棒性與容錯性均較佳。從機械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤的角度上來說,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用途徑主要有兩個方面:其一,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于控制器組建中,其二,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助作用于逼近機械臂關(guān)節(jié)系統(tǒng)非線性或不確定中。在這一方法基礎(chǔ)之上,還可以通過滑膜控制的方式,降低網(wǎng)絡(luò)逼近中的誤差以及干擾影響,從而使運動軌跡跟蹤中的誤差能夠得到漸近收斂。

      最后,是建立在模糊自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。在本方法作用之下,能夠省去對機械臂數(shù)學模型的構(gòu)建環(huán)節(jié),通過對專家經(jīng)驗知識的應(yīng)用完成軌跡規(guī)劃與跟蹤方面的工作。根據(jù)規(guī)則庫所對應(yīng)規(guī)則形式的不同,模糊自適應(yīng)控制的主要應(yīng)用途徑可以概括為以下兩個方面:其一,為直接性的模糊自適應(yīng)控制:本方法下采用控制知識作為規(guī)則,根據(jù)實際系統(tǒng)性能與理想性能之間的偏差,通過一定的方法來直接調(diào)整控制器的參數(shù);其二,為間接性的模糊自適應(yīng)控制:本方法下采用被控對象知識作為規(guī)則,通過在線辨識獲得控制對象的模型,然后根據(jù)所得模型在線設(shè)計模糊控制器。

      3.結(jié)束語

      綜合相關(guān)研究認為:由于機械臂具有操作上的靈活性以及穩(wěn)定性,故而使其在相當意義上的安全防爆、工業(yè)裝配、以及工業(yè)制造等領(lǐng)域中得到了相當廣泛的應(yīng)用。在依賴于機械臂完成不同動作任務(wù)的過程當中,關(guān)節(jié)可以說發(fā)揮著相當重要的作用。同時,還需要結(jié)合實際運行需求,對機械臂關(guān)節(jié)空間的運動軌跡進行精確的規(guī)劃,以保障機械臂關(guān)節(jié)級聯(lián)構(gòu)成末端位姿。由此可見,機械臂關(guān)節(jié)空間的快速控制以及軌跡規(guī)劃跟蹤都是機械臂作用于實踐中的研究重所在。本文即從這一角度入手,在對機械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進行建模分析的基礎(chǔ)之上,分別從自適應(yīng)PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、以及模糊自適應(yīng)控制這三個方面入手,就機械臂關(guān)節(jié)運動中的軌跡規(guī)劃方法展開了研究,望能夠引起各方關(guān)注與重視。

      4.參考文獻

      [1] 趙京,繆萍,荊紅梅等.冗余度機械臂關(guān)節(jié)運動和末端運動的同步容錯規(guī)劃[J].機械工程學報,2003,39(3):53-57.

      [2] 賈慶軒,張曉東,李梅峰等.空間機械臂關(guān)節(jié)積分反演滑模控制研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2009,21(10):3014-3016,3021.

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