基于擾動(dòng)觀測(cè)器的機(jī)械臂阻抗復(fù)合控制研究

張明瑞 苗國(guó)英 姜琛

摘要針對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)模型中存在未知擾動(dòng)的問(wèn)題，提出了基于擾動(dòng)觀測(cè)器的機(jī)械臂阻抗復(fù)合控制方法.針對(duì)二階阻抗動(dòng)態(tài)模型，采用由擾動(dòng)觀測(cè)器（DOB）、阻抗控制器和位置控制器構(gòu)成的復(fù)合控制策略，其中擾動(dòng)觀測(cè)器用來(lái)估計(jì)機(jī)械臂模型中的未知擾動(dòng)，阻抗控制器用于修正輸入角度，位置控制器對(duì)修正后的角度進(jìn)行跟蹤控制.復(fù)合控制保證阻抗誤差可以收斂到一個(gè)小的鄰域，最終實(shí)現(xiàn)期望二階阻抗模型的動(dòng)態(tài)跟蹤.仿真算例驗(yàn)證了該控制方法的有效性.

關(guān)鍵詞機(jī)械臂;阻抗控制;擾動(dòng)觀測(cè)器;位置控制

中圖分類號(hào)

TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼

A

收稿日期

2021-09-27

資助項(xiàng)目

江蘇省第五期“333工程”科研項(xiàng)目（BRA2020067）;國(guó)家自然科學(xué)基金（62073169）

作者簡(jiǎn)介

張明瑞，女，碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)械臂控制、抗干擾控制.1019727563@qq.com

苗國(guó)英（通信作者），女，博士，副教授，研究方向?yàn)槎嘀悄荏w系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制.mgy@nuist.edu.cn

1 南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京，210044

0 引言

近年來(lái)，機(jī)械臂在零件磨削、貨物搬運(yùn)和裝配、康復(fù)手術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.當(dāng)機(jī)械臂與開(kāi)放的外界環(huán)境產(chǎn)生直接交互時(shí)，需要考慮機(jī)械臂的末端環(huán)境接觸力，因?yàn)檫^(guò)大的接觸力容易損壞機(jī)械臂或給環(huán)境帶來(lái)傷害.因此，機(jī)械臂在進(jìn)行接觸作業(yè)時(shí)，需要具備一定的柔順性.阻抗控制是重要的柔順控制方法之一，最早由Hogan［1］提出，他的思想是期望軌跡跟蹤誤差與人機(jī)交互力之間建立彈簧-質(zhì)塊-阻尼動(dòng)態(tài)系統(tǒng).

阻抗控制的特點(diǎn)是任務(wù)規(guī)劃較少、實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單、具有較好的魯棒性.因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者從控制角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了多種有效的阻抗控制方法.文獻(xiàn)［2］對(duì)打磨機(jī)器人采用基于位置的自適應(yīng)阻抗控制方法，可以有效跟蹤打磨機(jī)器人的末端理想位置，解決了打磨軌跡的補(bǔ)償修正問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的魯棒性.對(duì)基于阻抗控制的下肢康復(fù)機(jī)器人，文獻(xiàn)［3-4］設(shè)置人機(jī)交互力矩為約束條件，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.文獻(xiàn)［5］對(duì)機(jī)器人末端阻抗模型參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使機(jī)器人適應(yīng)外界環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順控制.文獻(xiàn)［6］利用阻抗控制修正下肢康復(fù)機(jī)器人的末端運(yùn)動(dòng)軌跡，把期望軌跡與修正軌跡的誤差滑?；D(zhuǎn)換為滑模函數(shù)，再進(jìn)行模糊化后，將自適應(yīng)力矩作用于下肢康復(fù)機(jī)器人，使其達(dá)到期望的接觸力矩.文獻(xiàn)［7］將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗控制應(yīng)用到下肢康復(fù)軟質(zhì)外骨骼機(jī)器人中，提高了人機(jī)交互的柔順性和協(xié)調(diào)性.文獻(xiàn)［8］提出非奇異終端滑?？刂品椒▽?duì)阻抗控制修正的打磨軌跡進(jìn)行跟蹤控制，解決了曲面高精度打磨問(wèn)題.關(guān)于機(jī)械臂的跟蹤控制問(wèn)題，現(xiàn)有文獻(xiàn)多未考慮外部干擾，但是在機(jī)械臂的阻抗控制中，外部擾動(dòng)的存在會(huì)影響阻抗誤差的收斂性.

本文在李雅普諾夫函數(shù)的基礎(chǔ)上提出一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制器，采用由擾動(dòng)觀測(cè)器、阻抗控制器和位置控制器構(gòu)成的復(fù)合控制策略.利用Matlab／Simulink工具，對(duì)基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出算法的有效性.

1 擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與分析

1.1 機(jī)械臂模型

對(duì)于N自由度的機(jī)械臂，通過(guò)拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)通用的動(dòng)力學(xué)模型［9］：

3.2 仿真結(jié)果

圖3表示系統(tǒng)的阻抗誤差.圖4表示擾動(dòng)值和擾動(dòng)觀測(cè)值．圖5表示復(fù)合控制器式（21）和無(wú)擾動(dòng)觀測(cè)器的傳統(tǒng)阻抗控制對(duì)期望軌跡的跟蹤效果對(duì)比.由圖3可知，所提出的基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制，在短時(shí)間內(nèi)使得阻抗誤差收斂到了一個(gè)小鄰域.由圖4可知擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)實(shí)際擾動(dòng)的觀測(cè)效果較好.由圖5可知，基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制相較于傳統(tǒng)的阻抗控制，跟蹤控制效果更好.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制器，采用擾動(dòng)觀測(cè)器和阻抗控制器、位置控制器組成復(fù)合控制器.所提出的基于擾動(dòng)觀測(cè)器的阻抗復(fù)合控制器，在機(jī)械臂與外界環(huán)境發(fā)生接觸的情況下，阻抗誤差收斂到一個(gè)小鄰域，實(shí)現(xiàn)了二階期望阻抗關(guān)系，有很好的跟蹤控制效果.

參考文獻(xiàn)

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Impedance composite control for manipulator

based on disturbance observer

ZHANG Mingrui1 MIAO Guoying1 JIANG Chen1

1School of Automation，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

Abstract In this paper，an impedance composite control method based on disturbance observer is proposed for manipulator system with unknown disturbances.For tracking the second order impedance dynamic model，a composite control strategy is designed，which includes the disturbance observer （DOB），the impedance controller，and the position controller to estimate unknown disturbances，correct input angle，and track the adjusted angle，respectively.This composite control strategy ensures that the impedance error converges to a small neighborhood，thus realizes the desired dynamic tracking of the second order impedance model.The effectiveness of the proposed control method is proved by simulation examples.

Key words manipulator;impedance control;disturbance observer （DOB）;position control