仿人靈巧手的EtherCAT通訊系統(tǒng)及阻抗控制研究.pdf

1、機器人靈巧手是由單手指串聯(lián)機器人和指間并聯(lián)機器人組成的機器人系統(tǒng)，是多領(lǐng)域的交叉技術(shù)的結(jié)合，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、傳感器設(shè)計和軟件控制算法設(shè)計等。本文以HIT/DLR II靈巧手為本體，以國家科技部863課題“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及抓取操作的研究”為背景，目的是設(shè)計一套通訊速度快，實時性好的靈巧手控制平臺。同時，該平臺具有易于實現(xiàn)HIT/DLR II靈巧手復(fù)雜算法的特點。進而，基于此實時性控制平臺，以具體的抓取與操作任務(wù)

2、為目標，提出一套可應(yīng)用于靈巧手實際抓取與操作的阻抗控制器算法策略。
　　本文首先分析了靈巧手通訊的發(fā)展現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有靈巧手通訊存在的問題，結(jié)合HIT/DLR II靈巧手自身特點，得出了EtherCAT總線是目前最適合本文設(shè)計 HIT/DLR II靈巧手實時性通訊需求的結(jié)論。進而，設(shè)計了一套HIT/DLR II靈巧手的EhterCAT控制系統(tǒng)平臺，具體包括EtherCAT從站硬件電路系統(tǒng)設(shè)計，F(xiàn)PGA從站 EtherCAT軟件控制器

3、系統(tǒng)設(shè)計,EtherCAT主站TwinCAT3.1的PLC靈巧手函數(shù)控制層系統(tǒng)設(shè)計，以及聯(lián)合Matlab/Simulink與TwinCAT3結(jié)合的Simulink模塊算法調(diào)用設(shè)計。搭建了基于EhterCAT通訊的HIT/DLR II靈巧手控制平臺，為本文HIT/DLR II靈巧手動力學(xué)的建模以及控制算法的實現(xiàn)提供了實時性、可靠性的控制平臺。
　　對于五指仿人靈巧手動力學(xué)模型建模的精確性，有助于更準確的對HIT/DLR II靈巧手進

4、行精確的位置控制、指尖輸出力控制、力與位置混合控制，以及主動柔順控制。本文通過對笛卡爾空間下，手指參考坐標系的討論，闡述了手指指尖位置、速度、角速度、加速度和角加速度之間的關(guān)系。以單指動力學(xué)為前提，通過對雙指動力學(xué)指間約束關(guān)系的討論，建立了HIT/DLR II靈巧手雙指的動力學(xué)模型，進而得到了靈巧手的多指動力學(xué)模型。最后，基于EtherCAT三重中斷從站 PDI設(shè)計方式，將基于乘子法建立的多指動力學(xué)模型應(yīng)用到EtherCAT平臺中，從而

5、確保所提出多指動力學(xué)模型的可應(yīng)用性。
　　本文針對HIT/DLR II靈巧手在等式約束條件下，首先對靈巧手手指在自由空間無約束的情況下，對單手指阻抗控制器解的存在性、充要條件、收斂性和收斂速度進行了理論分析，進而在靈巧手手指指間有約束的情況下，對外環(huán)阻抗控制器力優(yōu)化的充要條件和靈敏度進行了理論分析，通過靈敏度函數(shù)得出了拉格朗日乘子λ*隨著靈敏度函數(shù)的增長而遞減的變化率的結(jié)論。與精確懲罰函數(shù)法、障礙法相比較，基于拉格朗日乘子法算法設(shè)

6、計的控制器，具有實時性更好、指尖力非線性規(guī)劃速度更快和魯棒性更強的特點，所以HIT/DLR II靈巧手基于拉格朗日乘子法理論設(shè)計阻抗控制器。通過構(gòu)造增廣拉格朗日函數(shù)LCk(θk,λk)，提出一套雙環(huán)阻抗控制器的指尖力優(yōu)化策略，從而設(shè)計一種具有等式約束的基于拉格朗日乘子法的阻抗控制器。
　　對于HIT/DLR II靈巧手實際操作物體的情況，等式約束僅是一種特例，實際絕大多數(shù)情況是為了完成某種特定的任務(wù)，從而指尖不等式約束更具有實用性

7、。因此，本文最后針對不等式約束抓取問題，提出了一套基于拉格朗日乘子法的不等式約束阻抗控制器設(shè)計策略，即包括了基于Broyden Fletcher Goldfarb Shanno(BFGS)法的無約束單指力優(yōu)化內(nèi)環(huán)算法和基于Karush Kuhn Tucker(KKT)法的有約束外環(huán)算法。實驗結(jié)果表明基于EtherCAT的HIT/DLR II靈巧手平臺，可以達到高速、實時、穩(wěn)定性好的操作效果。同時，本文提出的不等式約束下的雙環(huán)阻抗控制算法