外文翻譯--機(jī)械手非線性擾動(dòng)器的設(shè)計(jì)（譯文）

1、 第 頁(yè) 共 30 頁(yè)11 中文 中文 9300 字出處： 出處：Mohammadi A, Tavakoli M, Marquez H J, et al. Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators[J]. Control Engineering Practice, 2013, 21(21):253–267.機(jī)械手非線性擾動(dòng)器的設(shè)計(jì) 機(jī)械手非線性擾動(dòng)

2、器的設(shè)計(jì)A. Mohammadia,n, M.Tavakoli b,nn, H.J.Marquez b, F.Hashemzadeh ba Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical & Computer Engineering, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada M5S 3G4 b Department of Ele

3、ctrical & Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada T6G 2V4摘要： 摘要：機(jī)械手是一個(gè)高度非線性和耦合的系統(tǒng)，遭受不同類型的干擾，例如關(guān)節(jié)摩擦、未知的有效載荷、動(dòng)態(tài)的接觸點(diǎn)和未建模動(dòng)態(tài)。當(dāng)這些干擾沒(méi)有計(jì)算進(jìn)來(lái)時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)械手的執(zhí)行情況有不利的影響。常見的方法是利用擾動(dòng)觀測(cè)器來(lái)排除這些干擾。除了抑制干擾，擾動(dòng)觀測(cè)器也可

4、用在力控制的應(yīng)用中。最近，已有大量關(guān)于設(shè)計(jì)機(jī)械手的非線性擾動(dòng)觀測(cè)器（NLDOS）的研究。盡管在干擾跟蹤方面取得了一些成果，但是根據(jù)以前的設(shè)計(jì)，非線性干擾觀測(cè)器僅僅只能用在帶傳動(dòng)關(guān)節(jié)的平面串行機(jī)械手上[1]。在本文中，提出了一個(gè)通用的系統(tǒng)的方法不受自由度數(shù)量，關(guān)節(jié)類型或機(jī)械手配置限制以設(shè)計(jì)機(jī)械手的非線性觀測(cè)器。此外，這種設(shè)計(jì)方法不需要串聯(lián)機(jī)械手精確的動(dòng)力學(xué)模型。這種方法也將之前提出的線性和非線性干擾觀測(cè)器統(tǒng)一到了一個(gè)總體框架中。為了展示提

5、出干擾觀測(cè)器構(gòu)思在 4 自由度 SCARA 機(jī)械手上的有效性，提出了仿真的方法。使用了一個(gè) PHANTOM OMNI 的觸覺裝置產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步說(shuō)明了這種設(shè)計(jì)方法的有效性。第 頁(yè) 共 30 頁(yè)33 用中，為了保證系統(tǒng)性能良好，機(jī)器人末端連接器需要接觸一個(gè)兼容表面和力控制方案。因此，需要一個(gè)力傳感器來(lái)測(cè)量這些接觸力。當(dāng)沒(méi)有傳感器用于測(cè)量扭矩和力量時(shí)，應(yīng)用程序可以雇傭擾動(dòng)觀測(cè)器。例如，在無(wú)力傳感器的控制中已經(jīng)成功的雇用了擾動(dòng)觀測(cè)

6、器[12]。用在微納米操作任務(wù)中，是擾動(dòng)觀測(cè)器另一個(gè)潛在的應(yīng)用，例如在顯微鏡下向生物細(xì)胞中注射外部物質(zhì)，這些地方缺少足夠小的擁有良好精度和信噪比的力傳感器[13]。最近，為了提高機(jī)器人的敏捷性，發(fā)展了一個(gè)新的系統(tǒng)來(lái)引導(dǎo)他們的動(dòng)作[14]。所謂的主從機(jī)器人系統(tǒng)是由兩個(gè)一模一樣的機(jī)器人組成的。這些機(jī)器人是由基于一個(gè)擾動(dòng)觀測(cè)器的雙邊加速度控制方案來(lái)控制的。一個(gè)機(jī)器人由工作人員引導(dǎo)進(jìn)入教學(xué)運(yùn)動(dòng)模式，另一個(gè)無(wú)約束的機(jī)器人，模仿那個(gè)受約束的機(jī)器人，

7、達(dá)到相同的位置、速度和加速度。從約束機(jī)器人中提取出操作員的純力量是被期望的。為了找回人類操作員的力量，在無(wú)約束機(jī)器人中使用了干擾觀測(cè)器來(lái)估算例如摩擦和重力等干擾力。干擾力在約束和無(wú)約束機(jī)器人上的表現(xiàn)是相同的。人類操作員的力量是從約束機(jī)器人的總力量中減去無(wú)約束機(jī)器人上的干擾力而估算出來(lái)的。因此，隨動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)不需要力傳感器面對(duì)重力和摩擦力也能觀察到人的力量。最后，為了確定在系統(tǒng)中是否已經(jīng)發(fā)生了例如碰撞或反作用力突然增加的錯(cuò)誤，工業(yè)機(jī)器人使

8、用了故障檢測(cè)系統(tǒng)。擾動(dòng)觀測(cè)器已經(jīng)用于許多機(jī)器人應(yīng)用程序的故障檢測(cè)中[15]。表一總結(jié)了擾動(dòng)觀測(cè)器在機(jī)器人中最重要的應(yīng)用?，F(xiàn)有的大部分干擾觀測(cè)器的文獻(xiàn)都是為了設(shè)計(jì)使用線性化模型或線性系統(tǒng)技術(shù)的機(jī)器人應(yīng)用[16]。為了克服線性擾動(dòng)觀測(cè)器在機(jī)械手的高度非線性和耦合動(dòng)力學(xué)上的局限性，Chen, Ballance, Gawthrop, 和 O’Reilly (2000)提出了非線性機(jī)械手的一般非線性擾動(dòng)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)。 Chen 等人使用 NDOB

9、觀測(cè)器找到了一個(gè)觀測(cè)器增益矩陣減少了設(shè)計(jì)問(wèn)題，這樣就能得到干擾追蹤了。然而 chen 等人能找到這樣一個(gè)帶旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的 2 連平面機(jī)械手關(guān)節(jié)的增益矩陣。后來(lái)， Nikoobin 等人，利用顯示機(jī)械手這種特殊類的機(jī)器人關(guān)系，將陳的解決方案推廣到帶傳動(dòng)關(guān)節(jié)的串聯(lián)機(jī)械手上[17]。除了限制機(jī)械手的配置，他們的設(shè)計(jì)也不能保證指數(shù)干擾跟蹤和僅僅證明了漸進(jìn)干擾跟蹤。Chen 和 Nikoobin 和 Haghighi 同時(shí)使用顯示公式特定類操縱者的慣

10、性矩陣來(lái)解決擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。盡管這些擾動(dòng)觀測(cè)器在擾動(dòng)估算方面展示出了預(yù)想的結(jié)果，但它們的設(shè)計(jì)也只局限于平面，帶傳動(dòng)關(guān)節(jié)的串行機(jī)械手。工業(yè)機(jī)器人包括 6 自由度的機(jī)械手等，然而，愛普生 C3 和 PUMA560 是非平面的。此外，一些像 SCARA 的工業(yè)手臂使用了移動(dòng)關(guān)節(jié)而不是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。這引發(fā)了尋找一個(gè)通用設(shè)計(jì)方法的動(dòng)力。本文的目的是解決由 chen 等人提出的 NDOB 的設(shè)計(jì)問(wèn)題，適用于所有串聯(lián)機(jī)械手。設(shè)計(jì)方法不變自由度數(shù)量，

11、聯(lián)合類型，或調(diào)用機(jī)械手動(dòng)態(tài)屬性配置的現(xiàn)有限制。此外，這種設(shè)計(jì)方法不需要知道機(jī)器人的完整動(dòng)力學(xué)?？梢杂脕?lái)設(shè)計(jì)針對(duì)所有系列機(jī)器人機(jī)械手的干擾觀測(cè)器的新的不等式將被推倒出來(lái)。擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題將被制定為一個(gè)線性矩陣不等式的方法（LIM），例如 MATLAB LIM 工具箱的控制這些問(wèn)題可以用 LMI 軟件迎刃而解。除了 LMI 規(guī)劃，一個(gè)對(duì)于設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案的分析將會(huì)被提出。本文的組織如下。第 2 節(jié)介紹了不需要聯(lián)合加速器測(cè)量的非線性擾動(dòng)觀

12、測(cè)器結(jié)構(gòu)及其修改版本。第 3 節(jié)為非線性擾動(dòng)觀測(cè)器解決了設(shè)計(jì)問(wèn)題，為全局的漸進(jìn)穩(wěn)定提供了充分條件。干擾指數(shù)跟蹤慢變化的情況，障礙和全球統(tǒng)一的 fast-varying 干擾情況下的最終有界性，干擾跟蹤誤差。觀測(cè)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題也會(huì)被制定成一個(gè)線性的矩陣不等式。在第 4 節(jié)，在解決擾動(dòng)觀測(cè)器時(shí)，這些重要的提議需要被考慮進(jìn)去。第五節(jié)顯示了建議的有效性，這些建議是用 SCARA 機(jī)械手設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)一個(gè)四自由度的工業(yè)部門，，其中非線性擾動(dòng)