雙臂機(jī)器人的控制系統(tǒng)建立及阻抗控制研究.pdf

1、隨著雙臂機(jī)器人特別是具有冗余機(jī)械臂的雙臂仿人機(jī)器人的飛速發(fā)展，對機(jī)器人在不確定環(huán)境（例如與人交互）的魯棒性提出了更高的要求，因此阻抗控制成為該領(lǐng)域研究的重要方向。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人宇航員預(yù)研項(xiàng)目，研制了基于現(xiàn)代化硬件與軟件技術(shù)的雙臂機(jī)器人控制系統(tǒng)，開展了具有零空間阻抗的七自由度冗余機(jī)械臂阻抗控制，以及面向物體的雙臂多空間自適應(yīng)阻抗控制研究，并利用機(jī)器人宇航員實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了機(jī)械臂阻抗控制實(shí)驗(yàn)。
　　從雙臂機(jī)器人控制系統(tǒng)具體軟硬件

2、實(shí)現(xiàn)角度，本文以機(jī)器人宇航員地面實(shí)驗(yàn)平臺為例分析了雙臂機(jī)器人系統(tǒng)特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，建立了層次化的雙臂機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)，研制了基于 EPIC的中央控制器、基于 mLVDS的MMSC總線和接口卡、模塊化關(guān)節(jié)控制器、基于1394b的視覺計(jì)算機(jī)以及程控電源，從而將現(xiàn)代化硬件的計(jì)算能力和通信速度靈活地映射到具體的機(jī)器人控制系統(tǒng)中，使其具有更加廣泛的適用性和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性。結(jié)合控制系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)了基于 Simulink，具有快速化原型、模塊化抽象和

3、標(biāo)準(zhǔn)化通信的控制系統(tǒng)軟件。最終實(shí)現(xiàn)了可以使用Simulink開發(fā)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，使用戶能夠快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制算法的實(shí)時(shí)仿真與實(shí)驗(yàn)。
　　從冗余機(jī)械臂阻抗控制角度，為了解決具有位置內(nèi)環(huán)的阻抗控制方法不能控制冗余機(jī)械臂零空間運(yùn)動(dòng)的問題，分析了七自由度冗余機(jī)械臂的構(gòu)型特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上引入了柔順面和臂平面，將這兩個(gè)平面之間的夾角定義為臂角，以此來描述冗余機(jī)械臂的零空間阻抗運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)能量論推導(dǎo)了含有剛度項(xiàng)的零空間阻抗方程，使其表達(dá)式具有

4、了明確的物理意義，再將該方程與動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合，最終提出了具有零空間阻抗的冗余機(jī)械臂阻抗控制方法。這種控制方法使七自由度冗余機(jī)械臂保留了笛卡爾空間阻抗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了零空間阻抗。在基于SimMechanics的七自由度冗余機(jī)械臂系統(tǒng)模型上，仿真驗(yàn)證了提出的阻抗控制方法，并與一般的阻抗控制方法進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械臂受到外界作用力干擾時(shí)，這種方法在機(jī)械臂的零空間也實(shí)現(xiàn)了柔順行為，同時(shí)使笛卡爾空間的位置誤差漸進(jìn)收斂。
　　從冗余

5、機(jī)械臂阻抗避障角度，針對一般阻抗控制方法無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂避障問題，利用一種虛擬力造成的機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)自避障。當(dāng)機(jī)械臂靠近障礙物時(shí)，作用在機(jī)械臂上的虛擬力是由障礙物指向機(jī)械臂的一種排斥力。在這種虛擬排斥力的作用下，利用冗余機(jī)械臂的零空間阻抗實(shí)現(xiàn)了避障，同時(shí)完成了機(jī)械臂末端的軌跡跟蹤。通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，仿真結(jié)果還表明，即使在避障過程中，機(jī)械臂末端的位置跟蹤精度也沒有受到影響。
　　從雙臂阻抗控制角度，考慮機(jī)械臂夾持物體時(shí)

6、，機(jī)械臂對物體的作用力容易飽和的問題，從機(jī)械臂角度分析了人體運(yùn)動(dòng)控制和學(xué)習(xí)特性。在此基礎(chǔ)上引入了面向物體的阻抗作為阻抗控制外環(huán)，結(jié)合機(jī)械臂阻抗作為阻抗控制內(nèi)環(huán)，使物體和機(jī)械臂都具有了阻抗特性。并基于能量代價(jià)函數(shù)提出了物體的阻抗自適應(yīng)律，利用 Lyapunov函數(shù)證明了該自適應(yīng)律能夠使能量代價(jià)函數(shù)趨于最小。通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，仿真結(jié)果表明通過機(jī)械臂阻抗和物體阻抗可以減小機(jī)械臂對物體作用力以及由此產(chǎn)生的物體對環(huán)境作用力，而且提出的

7、阻抗自適應(yīng)律能夠根據(jù)環(huán)境對物體的干擾，自適應(yīng)地調(diào)整物體的阻抗參數(shù)，從而提高了系統(tǒng)對外部干擾的魯棒性。
　　從雙臂機(jī)器人阻抗控制應(yīng)用角度，利用機(jī)器人宇航員實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)了幾種不確定環(huán)境的實(shí)驗(yàn)場景，包括不確定的空間位置約束以及不確定的人為干擾等，并通過阻抗控制完成了人與機(jī)械臂握手、機(jī)械臂與固定目標(biāo)對接、冗余機(jī)械臂零空間自避障、雙臂夾持搬運(yùn)物體、人與雙臂及其所夾持物體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交互等任務(wù)，展示了雙臂機(jī)器人阻抗控制系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的魯