二关节机械臂范文

二关节机械臂范文（精选5篇）

二关节机械臂 第1篇

随着人类空间技术的不断进步,世界各国已向太空发送大量卫星。许多卫星因年久失修已失效,成为空间垃圾;部分失效卫星是可以维修的,开展失效卫星回收及维修等服务意义十分重大。空间机器人机械臂是安装在空间飞行器上的一个机械臂,可用来完成小卫星的释放与回收及其他在轨服务等工作。在空间特殊环境下,机械臂的关节驱动器的性能好坏是保证系统正常工作的关键技术之一。

国外著名的Canadarm是一个安装在国际空间站上的大而灵巧的机械臂,主要用来完成空间搬运、装配等工作。早在1981年就已经投入空间使用,目前已在空间站成功地完成了50多项任务。图1所示为该机械臂的一个关节驱动器,主要由电机、变速箱等机电元件组成。电机上装有制动器和光电编码器、可进行速度控制。日本国家宇航局于1997年发射的ETS-VII上面安装了一个2m长的6DOF机械臂,用来实现目标星和服务星的交会对接和在轨服务。其关节驱动器由直流无刷电机和谐波齿轮箱组成,位置精度1.3mm,通过地面遥操作平台控制。该系统于1997~1999年在其飞行期间做了自主交换、灵巧插孔、遥操作、装配、空间结构展开和折叠、捕获目标星等试验[1~3]。1993年德国DLR发射的ROTEX成功演示了空间机器人的在轨装配、更换ORU以及捕获太空浮游物体等作业能力;2005年又对其研制的模块化、小质量、力矩控制关节在国际空间站上进行了ROKVISS机械臂部件验证试验。国内,哈尔滨工业大学、北京航空航天大学及国防科技大学待等单位都进行了空间机械臂的实验研究,取得了相应的研究成果。

本文设计了一个用于空间飞行器机械臂上的基于现场总线的智能关节驱动器,根据空间机械臂的实际工况,确定了关节驱动器的技术方案,进行了软硬件设计,并通过仿真和实验研究,验证了新设计的关节驱动器的主要技术性能。

1 单关节驱动器方案

空间机械臂单关节驱动器方案如图2所示。此关节驱动器由MCU,CAN驱动器、精密运动控制器、桥式驱动电路专用芯片、光电编码器、直流伺服电机和行星齿轮减速器组成。MCU把获得的由上位机发来的有关该关节的目标运动参数传送给精密运动控制器,同时,精密运动控制器从伺服电机上的光电编码器采集该关节的实际运动参数,把两者的偏差信号作为运动控制的输入量,在精密运动控制器内部进行速度梯形的规划和PID调节,得到控制量,以PWM方式,输出至桥式专用驱动电路,从而驱动电机运动。实现单关节的位置控制。

在异常情况下,精密运动控制器会及时产生中断,由MCU通过CAN总线,报告给上位机,以进行相应的处理。

2 硬件设计

MCU采用的是16位MC9S12DG128单片机,外加电源模块、晶振模块、CAN通信模块等。

精密运动控制器采用的是LM629。LM629是美国国家半导体公司生产的产品。它是全数字式控制的专用精密运动控制器。LM629内有主机接口模块,32位的位置、速度、加速度寄存器模块,32位的位置信号处理器模块,16位的可编程数字PID模块。

驱动部分采用L298N单片集成电路芯片,如图3所示,工作电压为6~46V,提供2A的工作电流,过热自动关断,具有电流反馈检测功能。并加续流二极管来保护芯片,防止电机反电势损坏内部电路。

3 鲁棒PID控制器的设计

空间环境比较恶劣,在温差变化大,强辐射、微重力、高真空等环境下,不确定因素很多。把这些因素的影响全部包括在精确的数学模型中比较困难。因此,设计鲁棒PID控制器比较合适。鲁棒控制器灵敏度低,在参数允许变动的范围内能保持稳定,当参数发生较剧烈的变化时能恢复和保持预期性能。这种优点能使系统在温差较大造成润滑状态变化影响摩擦阻尼及其他外界干扰的影响下仍然保持稳定或能很快恢复和保持预期性能。

3.1 关节数学模型的建立

驱动器的控制对象为直流电机,根据如下方程建立数学模型

式中,V(t)、i(t)、R、L、Vb(t)分别为电机电枢电压(V)、电流(A)、电阻(Ω)、电感(H)、反电势(V);J为系统折算到电机轴的转动惯量(kgm2);B为机械系统的粘性阻尼比;θm(t)为电机轴角速度(rad/s);T为电磁转矩(Nm);Td为阻力矩(Nm);KI为电磁转矩系数(Nm/A);Kb为反电势系数(Nm/A)。

(1)经过拉氏变换推导得电机输入与输出之间的传递函数

传递函数方框图如图4所示。

3.2 鲁棒PID控制器的设计

根据图4所示数学模型,设计的鲁棒PID控制器[4]如图5所示。该控制器由位置环组成,加入P、I、D环节,以保证系统的鲁棒稳定。关节还受到的外负载力矩、摩擦力矩、重力力矩、离心作用力矩的影响。考虑到空间特殊环境,在设计关节实验系统时让关节轴平行于重力方向,从而去除了重力因素的影响,离心作用项稳态误差为零,因此这里只对外负载力矩、摩擦力矩给于补偿。改进后的控制器框图如图6所示。

Kt为增大系统阻尼,即加强反电动势效应的测速发电机常数。

3.3 控制器参数整定

根据电机的实测参数得到电机闭环传递函数:

运用上述鲁棒PID控制器对伺服系统进行控制,应对其PID参数进行整定。人们总结了很多经验图表和公式,比较著名的有控制品质加权法、稳定边界法、衰减曲线法以及Ziegler-Nichols经验公式等。本文参考常用经验公式,在初步确定PID参数的基础上,通过MATLAB进行仿真和修改,最终确定PID参数。

系统的闭环传递函数可以写成:

根据传递函数(4),引入补偿算法,在MATLAB中编程进行PID校正,通过反复修改PID的值,最后确定Kp=1,Ki=1,Kd=35,绘制单位阶跃响应曲线如图7所示。可以看出经PID调节后的曲线响应很快、仅需0.04s左右,基本达到了设计要求。

4 轨迹跟踪仿真

根据上述算法和确定的PID参数,在输入为正弦波信号的情况下,对其轨迹跟踪性能进行数学仿真,其结果如图8所示。

图中(a)为没有加补偿时的位移曲线;(b)为加外负载力矩补偿时的位移曲线;(c)为加外负载力矩和摩擦力矩补偿时的位移曲线,摩擦力矩很小,变化也小,补偿的效果非常显著。从图中我们可以看出经补偿后的输出紧密跟踪参考输入曲线。

5 试验及结果

本文设计的空间机器人单关节驱动器选择maxon电机作为动源,用自制的控制器进行控制,在人造高温差环境下,加入补偿算法,对驱动器的性能进行了试验研究。为了适应空间微重力环境,将关节驱动器的轴线布置在垂直方向,从而去除了重力因素的影响。图9为关节驱动器在不同温度环境下施加阶跃信号的响应曲线,粗实线为关节驱动器的目标位置,细实线为关节驱动器跟踪指令的实际位置。从图中可以看到关节驱动器在阶跃响应中比较灵敏,控制系统稳定,关节能较好的跟踪位置指令。

6 结语

试验表明,设计的集成化基于现场总线的智能关节驱动器,基本达到了预期目标。实验只是对空间环境单因素进行了模拟试验,驱动器选择的是普通的润滑剂,还有待进行多因素的综合试验验证和现场考验。

参考文献

[1]K.Yoshida,K.Hashizume and S.Ab-iko.Zero Reaction Maneuver:FlightValidation with ETS-VII Space Robotand Extension to Kinematically Redun-dant Arm.Aoba 01,sendai 980-8579,JAPAN.

[2]D.N.Nenchev,K.Yoshida,P.Vichitkul-sawat,and M.Uchiyama.Reaction Null-space Control of Flexible StructureMounted Manipulator Systems.IEEE TRANSACTIONS ONROBOTICS AND AUTOMATION,1999,15(6).

[3]K.Yoshida,D.N.Nenchev,K.Hashizume,S.Abiko.and M.ODA.Flight Experiments of ETS-VII for Advanced SpaceRobot Control.日本航空宇宙学会论文集,2002,50(584).

二关节机械臂 第2篇

1.1空间机械臂设计方案

空间站实验舱机械臂包括关节及驱动控制子系统、末端效应器子系统、移动基座子系统、结构与机构子系统、视觉子系统、 地面遥操作控制平台、在轨操作子系统、末端作业工具子系统八大部分(图1);关节及驱动控制子系统包括七大关节及其驱动控制器(安装到机械臂的肩部、腕部、肘部), 即肩俯视、肩偏航、肩滚转、腕俯视、肘俯视、腕滚转关节、腕偏航,其中上述关节与末端效应器、臂杆连接,然后再经关节的旋转完成机械臂三维空间运动。

机械臂技术指标:机械臂总质量250kg、最大荷载1.5t、最大作业半径 6m、 带负载启动时间5s、末端最大移动速度空载0.2m/s(满载0.03m/s)、末端位置精度10mm、最大制动距离0.15m、功耗存活状态300w(稳态作业800w、峰值作业1400w)、工作环境温度-100~-75℃、控制模式在轨操作与地面遥操作模式。

1.2关节总体设计方案

空间机械臂机电一体化关节主要实现制动、驱动、传动、电机驱动控制及加热片驱动控制、制动器驱动控制、电机驱动控制、位置与速度信号采集、温度信号传感采集、通讯等,此外对关节的重量、体积要求相当严格,而机电一体化集成设计具有下列设计难点:有限的空间内众多元器件的布置必须合理,同时上述功能均应满足;立足功能性能要求,实现关节的小型化、轻量化及环境适应性与可靠性。若想既能克服设计难点,又能完成空间机械臂关节的节点集成设计,关节机电集成设计必须按下列步骤进行设计:立足充分调研,明确关节整体方案(如传感器与关键零部件选型、中心孔走线方案与冗余设计);遵照功能需求与关节性能参数,合理分配零部件的性能指标,其中必须从接口与尺寸方面确保所有零部件的合理布置;电气控制系统硬件与关节机构/ 结构的设计;立足关键控制算法,编写控制软件;完成PCB、关节机构、 软件生产后,再完成性能与功能的测试。若想解决机电集成设计过程所遭遇的电磁兼容与热设计、机构与电气系统干涉等问题, 必须从下列方面进行把握:电气元件与机械采用交互式的设计方法,即机械设计人员对关节的三维建模与关节内印制板尺寸与大小的规定同步,以提高关节内空间的利用率;考虑到电气系统内众多元器件皆存有发热现象,若想提高关节内温度场的均匀分布,关节内元器件的布局必须采用热仿真的方式进行优化,同时若想提高元器件的散热速度,最好把发热器件固定到关节外壳的对应位置;考虑到关节的设计均采用机电一体化的思想,即机电臂的通讯、电源、视觉等电缆均穿过关节内部,同时关节内部的电路板、传感器、制动器、电机、加热器等均需功能,若想确保关节或机械臂的正常工作,必须严格控制关节内的走线,此外空间机械臂机电一体化关节的设计采用中心孔走线的方式。

2关节控制方案

机械臂控制系统主要完成机械臂的运动控制,即根据特定的操作任务来完成机械臂运动轨迹的设计;根据既定的运动轨迹来控制机械臂的平稳状态;根据既定任务来实现机械臂末端执行器的释放与抓捕等,如此机械臂必须完成路径规划功能、力控功能、支持手动控制功能等三大运动控制功能。

2.1机械臂控制结构

机械臂既属七自由关节输出与六自由度位姿输入的多输出多输入系统,同时也属复杂的串联动力学系统。空间机械臂具备轻质柔性的特性,若想有效规避机械臂发生较大振动及对空间站基座的较大扰动,运行过程必须保持平稳安全状态,同时机械臂的运行速度必须控制到较低水平, 如此必须控制系统的控制难度,即机械臂分解成单输出单输入控制,同时忽视各关节间的耦合力矩。空间站机械臂的控制结构总体采用嵌入分布式的设计思路,其中机械臂的控制结构包括舱外控制器、GUI人机交互控制计算机、在轨操作平台、手眼相机、七大独立式关节控制器、末端执行器、中央控制器七部分,而从指令的生成与执行流程角度,可以把控制系统划分成驱动级、中控级、任务级三大层次。

2.2机械臂操作控制流程

若要完成某个复杂的任务,机械臂的运动阶段可以被划分成自由运动、接近运动、接触运动三大阶段,其中不同阶段的控制方法间存有较大差异。机械臂自由运动阶段指笛卡尔空间内机械臂的自由无接触运动,即采用开环控制的方式,经在线或离线的路径规划,确定机械臂的运动路径,同时对机械臂的运动路径进行控制。手动控制作为自由运动阶段的重要控制模式,即就机械臂运动期望位姿所无法精确提供的工况。接近运动阶段是指若无法精确知晓机械臂的捕捉目标,那么机械臂直接经视觉伺服控制来就目标进行接近运动;若手眼相机已捕捉到视觉靶标,那么可以判定此时已跨进可测范围,即发展到接近运动阶段。接近运动阶段主要凭借机械臂视觉伺服来对接近目标进行控制,直至达到末端执行器后再垂直插进目标适配器或使荷载跨进荷载连接口的捕获范围。接触运动阶段指机械臂末端与目标产生接触性碰撞的运动过程,其中接触过程主要凭借连接口的导向作用来实现机械臂末端定位精度的提高,以满足刚性连接的基本要求。若想规避机械臂因外力作用而损坏,那么接触运动阶段机械臂的控制最好采用柔顺的控制方法。

摘要：空间站机械臂系统属空间站的重要组成部分,同时机械臂属空间站的关键技术。本文主要以空间机械臂电一体化关节的设计与控制为研究对象,分别从机电一体化关节总体方案、关节控制方案两大方面展开论述。

二关节机械臂 第3篇

1 空间机械臂发展概况

随着地球生态的不断恶化, 人们开始探索对太空资源的利用, 使得世界主要国家都在进行航天事业的发展。航天事业的发展离不开空间站的设立, 因此绝大多数国家都在空间站的设立上有着自己的核心技术。空间机械臂可以称为是空间站设立的重要组成部分。空间机械臂有在宇宙飞船舱内和宇宙飞船舱外两大类, 主要实现对宇宙飞船的维修、装配合作的空间站等作用。我国从20世纪80年代开始, 先后开展了多个空间机械臂的基础研究和演示项目, 摸索相关问题和关键技术的解决途径, 如今已取得了巨大突破, 具体表现就是我国航天事业的飞速发展。虽然我国载人航天事业取得了巨大成就, 但是还存在许多问题亟待解决, 如实现对空间机械臂机电一体化关节的设计。这就需要我国加大对空间机械臂的研究力度。

2 机电一体化关节的总设计

2.1 机械臂的构成

空间机械臂主要通过计算机对在轨控制系统实行远程操作, 以实现空间机械臂能够在无人情况下进行良好的运作。空间机械臂主要包括:地面组控制、在轨控制系统、末端作业、工具系统、基座移动系统、感官系统、末端效应器、关节及其驱动等部分, 如图1所示。

2.2 空间机械臂的功能要求

由于宇宙环境不适合人类生存, 因此在载人航天技术上, 必须要能应对在宇宙中出现的突发情况或是实现在宇宙中的施工, 以实现建造某一具体的事物的功能, 因此空间机械臂应运而生。人们在地面进行远程控制, 可使空间机械臂通过其自动化运转, 实现人们在宇宙空间中所要求的某些事情。

2.3 机电一体化设计方案

(1) 以调研为基础, 确定机电一体化, 关节设计的整体方案。

(2) 根据实际的功能性要求和性能参数, 分配零件的性能指标。

(3) 进行关节内部结构和电气控制硬件设计。

(4) 设计关节控制算法的控制方法, 并编写相应的控制软件。

(5) 完成关节结构的相应软件生产, 对其关键性能和功能进行测试。

(6) 机电一体化的关节控制研究。

2.4 关节控制模式

对空间机械臂的控制, 主要是通过地面的控制系统对空间机械臂进行远程控制。根据地面所下达的指令, 主要实现对空间机械臂的以下三种控制。

2.4.1 位置控制

地面的人们可以通过中央控制系统, 对空间机械臂进行位置调整, 使其能在更好的位置进行工作。

2.4.2 速度控制

宇宙中, 由于重力与地球差异较大, 因此对速度的控制尤为重要。由于宇宙处于真空状态, 重力较低, 因此必须控制速度。

2.4.3 力量控制

力量控制是空间机械臂的主要工作之一。空间机械臂不同于人的手臂, 可以由人来掌握力量的释放大小, 而空间需要通过中央控制系统对空间机械臂进行远程操作, 因此对力量的把握必须准确。

3 发展空间机械臂的意义

3.1 工程应用

空间机械臂能够实现在复杂环境下的施工, 这不仅能够促进载人航天事业的发展, 而且能够促进我国国内工程建设的发展, 如对一些危险的建筑使用空间机械臂进行组装, 不仅使工程更加便利, 而且也减小了工程的危险性。

3.2 技术牵引

空间机械臂的发展带动了我国相关基础工业园高科技的发展, 如空间机械臂为了适应复杂恶劣的空间环境, 对其材质要求较高, 而这促进了国内合金材料工业的发展。

3.3 增强我国综合国力

现如今, 载人航天事业的发展能够影响国家在国际上的自主话语权, 而我国空间机械臂的发展, 促使我国载人航天事业不断进步, 提高了我国在国际上的话语权, 进一步增强了我国的政治地位。

4 总结

随着我国经济的不断发展和科学技术的进步, 国民生活水平日益提升, 越来越多的人开始关注国家太空事业的发展。航天科技水平是衡量一个国家综合国力的标准, 要使我国在国际上拥有自主话语权, 就必须发展航天事业, 也就必须重视对空间机械臂的研究。空间机械臂机电一体化关节设计, 使其能够更好地为我国载人航天技术服务。

参考文献

[1]谭春林, 刘新建.大型挠性空间机械臂动力学与减速比对振动抑制影响[J].国防科技大学学报, 2009, (4) :102-106.

[2]潘博, 孙京, 于登云.大型空间机械臂容错关节与控制[J].机械传动, 2010, (9) :1-5.

[3]王宗源, 陈力.柔性空间机械臂系统的模糊滑神经网络控制及柔性振动主动抑制[J].空间科学学报, 2013, (5) :569-576.

[4]梁捷, 陈力.柔性空间机械臂末端运动及柔性振动的模糊自适应补偿控制[J].兵工学报, 2011, (1) :45-57.

二关节机械臂 第4篇

空间机器人[1,2,3]可代替宇航员进行太空试验、探测、操作等活动,对空间机器人进行动力学分析、控制等研究是各国太空计划的重点领域。为了减小空间机器人的质量,其机械臂杆件大多设计为轻质的细长柔性杆[4,5,6],这样的柔性杆通常具有较大的尺寸并产生低频的大幅值柔性振动,系统刚柔耦合效应严重。同时,在使用电机驱动机械臂杆时,由于制造技术、齿轮及减速器的弹性等原因,驱动关节也呈现柔性[7]的性质并产生弹性振动。因此,在针对空间机器人进行动力学分析、控制时,同时考虑其关节柔性、臂杆柔性对控制性能的影响具有非常重要的意义。然而,以上研究或者仅考虑了柔性关节对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,或者仅解决了柔性杆振动模态的控制问题,同时解决关节柔性、臂杆柔性(双柔性)问题的研究也主要针对地面的机械臂系统[8,9],或使用奇异摄动法[10]来处理,这与大尺寸柔性空间机械臂产生高幅低频振动的实际情况不符。

在针对机器人的动力学控制中,许多学者提出了如自适应[11]、鲁棒[12]、神经网络[6]等控制方法来解决参数不确定系统的轨迹跟踪问题,但所构建的控制器往往存在计算量偏大的缺点,实际应用非常困难。滑模变结构控制也可以解决参数不确定和外部干扰的系统轨迹追踪控制问题,具有很好的鲁棒性且计算量小,但是滑模变结构控制的最大缺点是系统控制输出在切换时有抖动。一般都认为,将神经网络或模糊控制与滑模变结构控制相结合可有效解决滑模控制中的抖振问题,基于此思路,很多研究人员也提出了多种控制方法,如文献[13,14][13,14]分别利用模糊理论和自适应神经网络较好地消除了滑模变结构控制中力矩的抖振。但是模糊理论中合适的模糊规则设计非常困难,而神经网络的自适应学习计算量也非常大,均在实际应用中存在种种限制。

为了解决以上问题,本文利用拉格朗日第二类方程建立了柔性臂杆、柔性关节空间机械臂系统的动力学模型;对柔性关节刚度进行补偿以提高系统的等效刚度;利用反馈线性化技术导出空间机械臂系统追踪期望运动的误差动力学方程,并基于Lyapunov稳定性证明来选择滑模控制参数;建立T-S模糊逻辑模型,简化模糊推理规则,设计系统追踪期望轨迹的改进型T-S模糊滑模鲁棒控制方案;对柔性杆的柔性振动模态设计了直接反馈控制方案;最后,针对系统存在建模误差和外界干扰的情况,对平面二杆空间机械臂系统进行数值仿真分析。

1 双柔性空间机械臂系统动力学分析

不失一般性,对做平面运动的柔性臂杆、柔性关节空间机械臂系统展开研究,如图1所示。该系统由小卫星基B0、刚性机械臂B1及柔性臂B2组成。为了简化处理,柔性臂B2可视为欧拉-伯努利梁,仅考虑其前二阶主要柔性模态函数η=(η1,η2)T。刚性机械臂B1与基体B0、柔性臂B2与刚性臂B1之间采用柔性关节连接,这两处的柔性关节可视为刚度系数分别为km1、km2的无质量线性扭转弹簧。

分别建立图1所示基体、各机械臂杆的坐标系。α为基体的姿态,θ=(θ1,θ2)T为两个机械臂的实际转角,θm=(θm1,θm2)T为各关节驱动电机的实际转角,由于扭簧的存在,机械臂与驱动电机的转角存在柔性误差。

由于该柔性臂杆、柔性关节空间机械臂处于太空,无外力作用,系统对惯性坐标系满足动量守恒关系。利用该动量守恒关系,并结合系统柔性臂的弹性应变能、柔性关节的弹性势能,由拉格朗日第二类方程可得到系统动力学方程:

其中,D(α,θ,η)为系统基体、两个机械臂的质量矩阵;为系统包含离心力和科氏力的列向量;K为柔性臂的振动刚度矩阵;τd为关节驱动电机的干扰驱动向量;τα、τθ分别为基体姿态、机械臂关节的驱动输入力矩;τm为关节电机的实际驱动力矩;Jm为两个关节电机的转动惯量矩阵;Km为柔性关节的扭转刚度系数。

2 关节柔性刚度补偿控制输入设计

分析式(1)、式(2)的系统动力学方程发现,系统的机械臂关节存在柔性问题,这将对机械臂跟踪期望运动产生影响。本节针对系统的关节柔性补偿问题进行处理,设计关节柔性补偿器以提高柔性关节的等效刚度,最终提高基体及机械臂跟踪期望轨迹的精度。

对系统动力学方程式(2)进行改写,可得关节驱动电机的力矩动态方程:

针对该动态方程,设计总的电机控制输入为

其中,τn为后文待设计的系统轨迹跟踪、柔性模态控制方案,Kθ为对角正定系数矩阵,若Kn选择为

将式(4)代入式(3),系统关节驱动电机的力矩动态方程则变为

对比式(3)和式(6)可知,系统关节驱动电机的刚度得到了提升,且Kθ选择得越大,Kn随之增大,系统的等效刚度也随之增大。所以,合适地选择Kθ可对系统关节的柔性进行补偿。

3 系统动力学反馈线性化

上文解决了系统机械臂关节驱动电机的柔性补偿问题后,为了设计系统基体、关节追踪期望运动的控制方案,系统动力学方程改写为

其中,D11为D的3×3分块子矩阵;D22为2×2子矩阵;D12=DT21为3×2子矩阵;C1、C2分别为C的三阶、二阶列向量;τd0、τr分别为基体姿态、两个关节追踪期望运动的驱动力矩。利用式(7)可算出,有

针对新的反映系统基体姿态、机械臂关节位置的动力学方程,若该双柔性空间机械臂系统的期望运动轨迹为θαD=(αD,θ1D,θ2D)T,为了追踪该期望运动,可设计基于系统可准确建立模型的控制输入为

其中,11等加“—”上标的量为利用系统已知部分建模得到的准确动力学方程相关矩阵,u为滑模控制中待设计的控制输入。将该控制输入式(9)代入动力学方程式(8)并整理可得

进一步整理有

其中,f代表系统由于参数不确定所带来的建模误差、外界干扰所带来的控制误差等的综合不确定项。由此可知,若系统不存在结构上或非结构上的不确定参数、外界干扰以及控制输入误差,则f=0。

此时,定义系统追踪期望运动的角度误差和角速度误差分别为,其中,,则系统的误差二阶动力学微分方程为

利用此误差动力学方程,可进行经典的滑模控制设计。

4 滑模控制器设计

利用双柔性空间机械臂的误差动力学方程(10),设计滑模控制面为

式中,λ为正定常值系数。

针对以上选定的滑模控制面,本节对控制向量u进行设计来保证系统追踪期望轨迹。在经典的滑模控制当中,可设计u为

其中,在滑动阶段,当S=0且时,保持控制ure来使控制系统保持在滑模面上;在趋近阶段,即当S≠0时,切换控制uS设计来使控制系统满足到达条件,即S和的正负号不同。

所以,当控制系统处于滑模面上,有

此时uS=0,将系统误差动力学方程式(10)代入上式,ure则可直接设计为

为了进一步对切换控制向量uS进行设计,选择以下Lyapunov函数:

将V对时间求一阶导数并利用式(10)~式(12),可得

针对以上结果,为了满足,设计以下切换控制:

其中,ηi为正定常数,当ηi足够大时,可抵消f的影响,使恒成立。因此,结合式(11)~式(13),最终的控制输入可表述为

5 T-S模糊滑模鲁棒控制方案改进设计

利用T-S模糊逻辑来对上节所设计的滑模控制方案进行改进,解决滑模控制抖振的问题,并减小控制系统的计算量。一般地,典型多输入-多输出T-S系统的模糊逻辑规则如下[1,2,3,4,5]:

其中,Rj代表第j个模糊规则,xk和Mjk(j=1,2,…,r;k=1,2,…,n)分别为系统的前件变量和模糊集,r为系统的模糊规则数量。

对于系统的各个独立输入X(t),利用中心加权解模糊化推理,可获得整个T-S系统的输出向量Y(t):

其中,Y(t)∈Rr,X(t)∈Rn,而利用直积法,适用度函数wj(X(t))可以定义为

其中,Mjk(xk(t))为xk(t)在模糊规则集Mjk中的隶属度,适用度函数wj(X(t))同时应满足

基于以上T-S模糊模型,针对双柔性空间机械臂系统,对系统基体姿态和关节角的三个控制器设计进行离散化处理。为了使模糊推理尽可能简单,设计单个滑模反馈控制的模糊推理规则库为

其中,i=1,2,3。同样为了使控制系统更加简单,模糊输入变量Si的三角形隶属度函数选择如图2所示。

利用中心加权解模糊可得到最终的系统控制输入:

由此,可分别得到系统载体姿态、两个关节铰的控制输入ui(t)(i=1,2,3),则系统的整体控制输入为这三个离散控制ui(t)的合成向量。由于所设计的滑模反馈控制的模糊推理规则仅有两条,同自适应控制、神经网络控制等智能控制方法相比,该系统控制输入将具有模糊规则简单、计算量小的显著优点。

6 柔性臂振动模态反馈控制

解决了关节柔性的补偿和基体姿态、机械臂关节的轨迹跟踪问题后,本节仅考虑柔性臂振动模态对系统控制的影响。于是,从系统动力学方程式(7)中可解出

若不考虑系统参数不确定的影响,仅考虑系统的可精确建模模型,则有

此时,若式(17)中的满足

其中,Kp、Kv均为正定的控制参数,21*为21的Moore-Penrose伪逆。将式(18)代入式(17)可得

更进一步地,有

选择以下Lyapunov函数:

将上式对时间求导并利用式(18),同时忽略系统的参数变动,则有

由于22满足对称正定,合适地选择Kp、Kv,可保证,则式(19)可满足渐近稳定。为了生成可抑制柔性振动模态的载体姿态加速度、关节角加速度,针对柔性关节模态的直接反馈控制力矩可设计为

其中,可由式(18)的积分计算,Kf为正的速度控制参数。系统用于追踪基体、关节角期望运动,并可抑制柔性杆振动模态的合成控制器为

至此,该合成控制器(式(21))加上系统柔性关节刚度补偿控制可完成系统轨迹跟踪控制及柔性关节刚度补偿、柔性模态主动抑制的并行综合控制任务。

7 系统仿真分析

为了检验本文设计的综合控制器的性能,将所设计控制方案应用于图1所示的双柔性空间机械臂系统上。该机械臂系统的参数见表1。

基体姿态及关节角的期望运动轨迹分别设置为

其运动初始值取为α(0)=0.1rad,θ1(0)=0.1rad,θ2(0)=1.47rad。仿真过程中,系统的惯性参数建模估计值取表1中真实值的0.9,仿真时间t=10s,其他控制参数分别选择为Kθ=20,λ=3,η=6(2 2)T,Kv=Kp=5,机械臂关节的外界控制干扰设置为τd=(2cost,sint)T。为了清楚地说明本文所设计控制方案的优点,整个仿真运算分以下三步进行。

(1)为了说明T-S模糊逻辑控制器的优势,不考虑柔性杆和柔性关节对控制系统的影响,先利用传统的滑模控制器(式(14))来对空间机械臂追踪期望运动进行控制,仿真结果如图3所示。图3显示了在式(14)控制方案控制时,系统控制输入力矩变化情况;若使用本文设计的T-S模糊滑模鲁棒控制方案,即利用式(16)对系统进行控制,系统的控制输入力矩如图4所示。通过对比控制输入力矩(图3、图4),发现应用T-S模糊滑模控制后,系统控制输入力矩的抖振情况有所缓解;更为重要的是控制输入力矩大幅减小,仅为原来的1/10左右,说明该控制方案还可有效解决控制器饱和的问题。因此,从实用的角度出发,本文所设计的控制方案更接近于工程实际应用。

(2)为了说明柔性关节刚度补偿的重要性,关闭了系统的柔性关节补偿控制,图5所示为两个驱动电机转角与机械臂杆实际转角的误差;当打开柔性关节刚度补偿时,图6所示为电机转角与臂杆转角的误差。从图6可以明显看出,本文所设计的关节刚度补偿可以很好地解决柔性关节存在时驱动电机与机械臂杆转角误差的问题,达到很好的控制精度。

(3)在对系统柔性关节刚度进行补偿后,通过切换柔性杆振动模态控制的输入,得到图7~图10的仿真结果。图7所示为未对柔性杆振动进行控制时的柔性模态,图8所示为对柔性杆振动进行主动控制时的柔性模态,图9、图10所示为系统追踪期望轨迹的最终跟踪情况。对图7、图8进行对比,发现本文所设计的振动控制方案可有效地抑制柔性杆的振动模态,2s后柔性模态基本收敛于0,避免了柔性杆振动对系统控制精度的影响。而图9、图10则说明了所设计的综合控制方案可保证系统稳定、高精度地追踪其期望运动。

8 结论

(1)针对柔性臂杆、柔性关节空间机械臂系统存在外界干扰及系统参数不确定而导致的建模误差情况,本文结合反馈线性化和T-S模糊逻辑推理系统,设计了空间机械臂追踪期望运动的改进型T-S模糊滑模控制方案,大幅缓解了控制器饱和的问题,同时由于所设计的T-S模糊推理规则仅有两条,该控制方案不仅能解决参数不确定的问题,而且具有计算量小、便于实际应用的优点。

(2)针对系统柔性关节问题,设计了柔性关节刚度补偿控制方案,有效解决驱动电机实际转角与关节转角之间存在误差的问题;针对柔性臂杆的振动,设计了柔性模态直接反馈控制方案,对柔性振动模态进行主动控制,实现了双柔性并行控制。

(3)为了验证所设计综合控制方案的有效性,逐步对不同工况下的空间机械臂进行仿真分析,仿真结果表明,该T-S模糊滑模鲁棒控制方案可保证系统在同时存在参数变动及外界干扰的情况下仍能准确、稳定地追踪期望运动,解决了柔性关节和柔性臂杆的振动问题。

摘要：针对存在参数不确定和外界干扰的柔性臂杆、柔性关节空间机械臂追踪期望运动的问题,设计了基于T-S模糊模型的滑模鲁棒控制方案和双柔性振动并行控制方案。首先,设计了关节柔性补偿器以提高系统的等效关节刚度。其次,利用反馈线性化技术建立了系统追踪期望轨迹的误差动力学方程,通过对系统Lyapunov稳定性证明来选择滑模控制参数;简化并改进T-S模糊推理规则,提出了模糊滑模鲁棒控制方法,可解决滑模控制的抖振问题并具有计算量少、控制力矩小的优点。再次,提出了柔性臂杆振动模态的直接反馈控制方案,解决了双柔性并行综合控制的问题。最后,运用逐步仿真的方法,对比仿真结果,证实了所设计轨迹跟踪、双柔性并行综合控制方案的有效性和稳定性。

热转印生产线二自由度机械臂设计 第5篇

机械臂是目前在机械人技术领域中实际应用最为广泛的自动化机械装置, 其主要应用于工业制造、军事以及太空探索、森林工程等领域。机械臂都能接受指令, 并精确定位到三维 (或二维) 空间上的某点进行作业, 根据结构形式的不同, 可以分为多关节机械手臂、直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂、极坐标机械手臂和柱坐标机械手臂等[1]。机械臂的运动往往有6 个自由度, 而对于工业应用, 有时并不需要机械手臂具有完整的6 个自由度, 只需其中的1个或几个自由度[2]。

鉴于热转印生产线工作环境差、工作内容枯燥以及劳动力成本高的现状, 本文根据实际生产需求, 设计二自由度的直角坐标系机械手臂。该机械手臂应用于一条工业注塑机和热转印烤杯机联合生产作业的自动化生产线, 替代人工完成整个生产线的热塑产品从起模到热转印文字和图案的全自动化工序。

1 系统的总体设计

1.1 机械臂机械结构方案

机械臂主体为2条垂直的梯形丝杆直线导轨, 如图1所示。每个导轨上装有一个42 两相混合式步进电机, 构成机械臂的X、Z轴, X轴上的步进电机装有滑块。通过X、Z轴步进电机的配合, 滑块能在X-Z平面上自由移动, 同时滑块上装有舵机, 用于改变抓取杆的角度。

该机械臂安装在注塑机传送带和热转印机之间。当传送带将注塑机生成的半成品传送到热转印机旁时, 启动机械臂上的真空吸盘抓取杯子送入热转印烤杯机内, 待热转印文字或图案结束后, 再将产品放上成品转送带, 进入下一道工序。

1.2 控制系统电路总体设计

机械臂控制系统分为闭环的位置控制和开环的角度控制, 如图2所示。通过上位机设置, 可以控制步进电机的运动速度。 更改PWM信号频率并通过SPI通信发送给ATmega8, 使步进电机以不同速度运行, 以满足不同的生产需求。ATmega8 控制板根据设定的目标位置, 输出PWM信号波和方向信号给电机驱动电路;同时, 对射式光电开关检测步进电机是否到达设定位置, 并反馈给AT-mega8;最后, ATmega8 根据机械臂当前位置和目标位置调整输出的PWM信号波和方向信号。

系统角度控制原理是基于机械臂所在位置来改变舵机角度。当导轨上的滑块移动到热转印机处时, ATmega8控制板根据设定角度值, 输出PWM信号波和方向信号给舵机, 使舵机旋转到水平位置, 准备将杯子放入热转印机。当滑块移动到传送带上方时, ATmega8 控制板根据设定角度值, 输出PWM信号波和方向信号给舵机, 使舵机旋转到竖直位置, 准备将杯子放上传送带。

2 控制单元硬件设计

由于机械臂各关节采用24V直流电压驱动步进电机的方案, 因此选择24V直流电源为整个系统供电。因为AT-mega8控制板、光电开关传感器和舵机都采用5V电压, 所以需要设计独立的电源模块。本文使用LM2596芯片将24V电源转成5V, 如图3所示。

3 系统整体控制程序

根据热转印生产线要求, 导轨上滑块的工作路径如图4所示, 即A-B-D-C-D-E-A, A点为半成品传送带位置, C点为热转印机位置, E点为成品传送带位置。

机械臂工作流程:滑块在A点抓取需要进行热转印工艺的杯子后向上运动;到达B点后, 滑块水平运动;到达D点后, 舵机旋转90°令杯子水平放置, 之后滑块继续水平运动;到达C点后, 滑块将杯子放入热转印机, 等待一段时间热转印结束后, 取出杯子; 接着, 滑块退回D点后, 向下移动到E点将杯子放上成品传送带。

A~E点各装有1个对射式光电开关传感器。当滑块运动到相应位置时, 传感器发出信号, 控制器接收后控制系统按流程做出相应动作。机械臂控制程序流程如图5所示。

4 机械臂位置控制仿真

机械臂的执行元件为步进电机。步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件, 在工业上应用非常广泛[3], 但是其开环控制方式存在着控制精度不高以及容易失步等问题[4]。用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和较高、较平稳的转速。同时, 为了获得高输出转矩, 必须考虑电流的变大和失调角的大小, 而这在开环控制很难实现[5]。因此, 系统设计了闭环控制系统, 并仿真验证其性能。

步进电机本身具有低频振荡问题。要消除这一影响, 最好的办法是通过细分控制来减小步进电机每步前进的角度。同时, 对于高精度位置伺服系统, 减小步距角有利于提高系统定位精度[6]。系统使用的TB6560步进电机驱动器采用PWM斩波型正弦曲线微阶控制技术, 16 细分控制。

对于步进电机伺服控制系统, 细分控制即为电流内环, 其目的是实现混合式步进电机绕组电流对给定电流的跟踪, 使混合式步进电机在微步驱动下平稳输出转矩。电流环中还包括两相混合式步进电机驱动部分, 驱动电路一般为微步H桥驱动。两相绕组中的电流给定波形分别为正弦波形和余弦波形, 通过反馈比较, 使绕组中实际电流跟踪给定电流波形。外环为位置环, 其目的是使负载输出跟踪给定位置[7]。控制系统框图如图6所示。

通过数学建模, 可以得到相应的系统传递函数框图[8] (如图7所示) 。步进电机参数L=0.03H, R=30Ω, J=54kg·m2; 控制器参数ke=10, B=0, Kh=15, Kpi=5, KIi=500, Kpv=500, Kiv= 0, Kdv=100, Th=0, Tl=0。

系统在MATLAB软件Simulink中的仿真图形如图8所示。系统的输入信号是阶跃信号, 该信号设定为从1s才开始阶跃, 幅值为1。由阶跃响应曲线可知, 机械臂位置控制系统的阶跃响应调节时间ts≈1.8s, 超调量和稳态误差为0。

5 结束语

本文设计并搭建了一个基于工业生产要求的二自由度机械臂, 使用2条基于步进电机的导轨构成机械臂的Z轴和X轴, 同时设计吸盘抓取机构完成机械臂的机械设计;通过ATmega8单片机、光电传感器、步进电机驱动器、指示电路、人机界面等搭建机械臂的自动化控制系统, 实现对整个机械臂的供电与控制。通过仿真, 验证机械臂性能达到了预期目标, 以较低的成本实现了生产线的自动化改造。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学基础[M].北京:机械工业出版社, 2009

[2]覃海强.机械臂力/位置混合控制方法研究[D].重庆:重庆大学, 2013

[3]梅晓榕, 等.自动控制元件及线路[M].北京:科学出版社, 2010

[4]曾康玲.二相混合步进电机开环性能优化与闭环控制研究[D].广东:华南理工大学, 2014

[5]李胜勇, 李铭才.步进电机闭环控制系统的器操高精度高速度处理技术[J].控制技术, 2003 (2) :23~24

[6]刘川, 刘景林.基于Simulink仿真的步进电机闭环控制系统分析[J].测控技术, 2009, 28 (1) :44~49

[7]曾岩.二自由度机械臂控制系统的设计与实现[D].福建:厦门大学, 2008