（机械电子工程专业论文）基于fpa的气动刚柔性关节控制系统研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统研究 摘要 气动关节作为气动多指灵巧手的重要组成部件，起着精确引导灵巧手运动的作用， 可见灵巧手的应用范围直接受到其关节控制系统性能的影响。国内对气动关节控制系统 的研究还有所欠缺，没有成熟的工业化产品出现，目前研制的气动多指灵巧手关节和控 制器很大一部分是靠国外进口的，往往价格比较高，不适合灵巧手的推广应用，所以研 制气动多指灵巧手关节控制系统就显得十分必要。 本课题使用实验室自行研制的气动多指灵巧手中应用的气动刚柔性关节为控制对 象，鉴于现有基于控制板卡的关节控制系统结构庞大、价格昂贵、兼容差等不足之处， 本文着重研究了适用于气动刚柔性关节的控制系统。系统采用基于微处理器的关节运动 控制器，以高性能数字信号处理器d s p i c 3 0 f 5 0 1 3 为核心，并用c a n 总线方式通讯，极 大的简化了系统结构，保证控制精度的同时使系统具备较好的实时性和兼容性。本文的 主要工作和成果如下： ( 1 ) 介绍了系统控制对象基于气动柔性驱动器f p a 的气动刚柔性弯曲关节的模型 结构原理以及气动刚柔性关节在灵巧手中的应用，并且根据f p a 关节存在滞缓和气动系 统非线性等特点，设计了模糊自整定p i d 控制算法实现对气动刚柔性弯曲关节进行闭环 控制。 ( 2 ) 根据基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统整体方案，设计了控制系统的硬件 电路以及相应的p c b 板，构建了系统应用程序的总体框架，并采用模块化程序设计方 式，分别开发了上位机监控界面软件和下位机驱动软件，编写了控制系统软件源代码。 ( 3 ) 控制系统设计完成后，搭建实验平台，通过对气动刚柔性弯曲关节进行了位 置静态控制、动态控制、输出力矩实验，验证控制算法和关节控制系统的控制性能。实 验结果表明：采用本文研究的控制系统，关节位置静态控制时弯曲关节控制精度偏差在 0 1 6 0 之间，进行动态跟踪控制时最大稳态误差为0 2 4 0 ，不同控制状态的稳态时间在 0 8 s 内，并且通过系统对电气比例阀的气压控制可以实现对关节输出力力矩控制，验证 了模糊p i d 控制算法能有效应用于本系统。 本文研究的基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统具有较快的响应速度，能够对关节 输出力力矩进行控制，并且保证控制精度。相较原有基于控制板卡的关节控制系统，系 统具有小型化、集成化、兼容性好、成本低等特点，并且可良好地控制气动刚柔性关节， 基本满足气动多指灵巧手的应用要求，为研发具有自主知识产权的z 彤t 多指灵巧手控 摘要 制系统奠定了基础。 关键词：气动柔性驱动器f p a ，气动刚柔性弯曲关节，c a n 总线，关节控制，模 糊自整定p i d 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fp n e u m a t i c r i g i d f l e x i b l ej o i n tb a s e do nf p a a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t ，p n e u m a t i cj o i n t sp r o v i d eg u i d i n ga c c u r a c yf o rp n e u m a t i c m u l t i - f i n g e rh a n d ，m u l t i - f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ss c o p eo fa p p l i c a t i o ni sd i r e c t l ya f f e c t e db y c o n t r o ls y s t e m n o w ，t h e r ei sl i t t l er e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp n e u m a t i cj o i n t sa n dn o m a t u r ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t s ，d e x t e r o u sh a n d sj o i n t sa n dc o n t r o l l e r si nt h ed e v e l o p m e n t r e l yo ni m p o r t e d ，h i g hp r i c ei sn o ts u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fd e x t e r o u sh a n d ，t h e r e f o r e ， t h ed e v e l o p m e n to f p n e u m a t i cj o i n tc o n t r o ls y s t e mi sv e r yn e c e s s a r y p n e u m a t i cr i g i da n df l e x i b l eb e n dj o i n ti nm u l i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n dd e v e l o p e db y o u rl a b o r a t o r yi su s e df o rt h es u b j e c to fc o n t r o lo b j e c t i v e sa n du n d e re x i s t i n gj o i n tc o n t r o l s y s t e mh a si n a d e q u a t e so fh u g es t r u c t u r e ，e x p e n s i v e ，p o o rc o m p a t i b i l i t y , f o c u s e do nt h e c o n t r o ls y s t e mo fp n e u m a t i cj o i n t t h es y s t e mu s e sj o i n tm o t i o nc a n t r o l l e rb a s e do n m i c r o p r o c e s s o r ，h i g h p e r f o t m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p i c 3 0 f 5 0 1 3a st h ec o r e ，a n dt h e s y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t hac a n b u s ，s os i m p l i f i e ss t r u c t u r ea n de n s u r e sc o n t r o lp r e c i s i o n ， w h i l eh a sg o o dr e a l - t i m ea n dc o m p a t i b i l i t y t h em a j o rw o r ka n dr e s u l ts h o wa sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r a ls y s t e mo ft h es y s t e mc o n t r o lo b j e c tp n e u m a t i cj o i n tb a s e d o nf p a ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fp n e u m a t i cr i g i d f l e x i b l ej o i n t si nd e x t e r o u sh a n d ，a c c o r d i n gt o s l a c ki nt h ej o i n ta n dn o n - l i n e a ri np n e u m a t i cs y s t e m s ，d e s i g nf u z z y - p i dp o s i t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mf o rp n e u m a t i cr i g i d f l e x i b l eb e n d i n gj o i n t s sc l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es o l u t i o n so ff p a - b a s e dp n e u m a t i cr i g i da n df l e x i b l ej o i n t sc o n t r o l s y s t e m , d e s i g n st h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dp c bc i r c u i tb o a r d , b u i l dag e n e r a l f r a m e w o r kf o rs y s t e ma p p l i c a t i o n s ，a n dd e v e l o pp cc o n t r o li n t e r f a c es o f t w a r ea n ds l a v e d r i v e rs o f t w a r eb yt h em e t h o do fm o d u l a rp r o g r a m m i n g ，w r i t et h es o u r c ec o d ef o rc o n t r o l s y s t e m ( 3 ) a f t e rc o m p l e t et h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，b u i l dat e s tp l a t f o r mf o rr e s e a r c h i n gt h e s t a t i cp o s i t i o nc o n t r o l ，t h ed y n a m i cc o n t r o la n do u t p u tt o r q u eo fp n e u m a t i cr i g i da n df l e x i b l e b e n d i n gj o i n t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：u s i n gc o n t r o ls y s t e mi nt h i st h e s i s ，t h ed e v i a t i o no f c o n t r o la c c u r a c ya r eb e t w e e n 0 16 0i nt h eb e n d i n gj o i n t p o s i t i o ns t a t i cc o n t r o l , t h e m a x i m u ms t e a d y - s t a t ee r r o ra r e0 2 4 。i nt h ed y n a m i ct r a c k i n gc o n t r o la n dt h em a x i m u m s t e a d y s t a t er e s p o n s et i m ei s 0 8 si nd i f f e r e n tc o n t r o ls t a t e s v e r i f yt h ef u z z y - p i dc o n t r o l a 培o r i t l l l nc a nb ea p p l i e de f f e c t i v e l yi nt h es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mo fp n e u m a t i cr i g i d f l e x i b l ej o i n tb a s e do nf p ah a sf a s tr e s p o n s e ，c a n a b s t r a c t c o n t r o lj o i n t so u t p u tf o r c e t o r q u e ，a n de n s u r ep r e c i s i o n c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lj o i n t c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec o n t r o lb o a r d ，t h i sc o n t r o ls y s t e mi nt h i st h e s i sh a st h ef e a t u r eo f m i n i a t u r i z a t i o n , i n t e g r a t i o n ，c o m p a t i b i l i t y ，l o wc o s t ，a n dc a l lc o n t r o lt h ej o i n tw e l l ，m e e tt h e a p p l i c a t i o nr e q u i e m e n t so fp n e u m a t i cm u l t i - f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d , l a yt h ef o u n d a t i o nf o r d e v e l o p i n gz j u tm u l t i - f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n dc o n t r o ls y s t e mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s k e yw o r d s ： f l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o rf p a , p n e u m a t i cr i g i da n df l e x i b l eb e n d i n g j o i n t ，c a n - b u s ，c o n t r o l l e r , f u z z y - p i d ，j o i n tp o s i t i o nc o n t r o l i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 气动灵巧手是一种拟人化并能实现灵活操作的机器人末端执行器，能够拓宽机器 人的应用范围以及提高它的抓持效率，大大增强机器人在生产生活中因为环境及未知 作业对象中的无人灵巧操作能力，吸引了国内外的大量学者和研究机构研制和开发气 动灵巧手，并成为一个重要研究方向。气动关节作为气动灵巧手的基本组成部件，因 此气动关节控制系统决定着气动灵巧手的控制性能和应用范围，系统优良的控制性能 是气动灵巧手的运动满足作业任务的基本要求。气动关节控制系统是机器人末端执行 器系统的主要组成部分，包括了关节的控制器、驱动器和执行器，是气动灵巧手完成 要求动作的重要保证。从而气动灵巧手对气动关节控制系统提出的具体要求( 设计控 制简单、控制系统小型化和集成化、可以完成稳定抓取物体等) ，使气动关节控制系统 具有重要的现实意义和应用价值。 目前，国内对气动灵巧手关节控制系统包括其控制器的研究还有所欠缺，没有成熟 的工业化产品出现，在研制气动灵巧手的关节和控制器很大一部分是靠国外进口的，往 往价格比较高，不适合气动灵巧手的推广应用，所以研制气动灵巧手关节控制系统就显 得十分必要。 本文研究的课题源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目“新型气动柔 性驱动器及其在机器人系统中的应用研究”( 2 0 0 9 a a 0 4 2 2 0 9 ) 、国家自然科学基金项目 “大柔性灵巧手稳定操作机制研究”( 5 1 0 7 5 3 6 3 ) 、“浙江省自然科学基金杰出青年团队 项目”( r 1 0 9 0 6 7 4 ) 。主要任务是根据现有基于控制板卡的关节控制系统的不足之处，研 发具有自主知识产权的驱动、反馈和控制一体化的基于新型气动柔性驱动器f p a 的刚柔 性关节控制系统，在保证控制性能的基础上，实现小型化、集成化、低成本，具备良好 的系统兼容性，满足气动灵巧手的应用要求。因此，控制系统是整体环节的核心内容， 它设计的合理与否直接关系到控制性能的优劣，因此在研制过程中都把气动刚柔性关节 控制系统作为首要研究任务之一。本课题所研究的基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统 以电气比例阀为控制系统驱动元件，设计和开发了基于f p a 的气动刚柔性关节的硬件 绪论 和软件控制系统，解决了原有控制系统结构庞大、价格昂贵、兼容性差等不足，为研发 具有自主知识产权的z i u t 多指灵巧手控制系统奠定基础。 1 2 气动关节驱动器的研究现状 气动柔性驱动器作为气动关节的气动驱动执行元件，目前在机器人领域中的应用已 经取得了比较大的进展和成效。由于气动柔性驱动器不需要传动机构和减速转置，可以 实现直接驱动，并且具有结构简单、动作灵活、可弯曲、易于控制、功率重量比大、柔 顺性好等特点，因此，国内外众多学者的专家对其进行了大量的研究工作，使其成为一 个新的研究热点。气动柔性驱动器最早出现在2 0 世纪5 0 年代，但是当时并没有引起大 家广泛的关注，直到2 0 世纪9 0 年代，美国、德国、日本的科研学术界和一些公司率先 开始进行研究有关气动柔性驱动器的工作，并且取得了一些显著的成果，研发了一些商 品化的气动柔性驱动器产品；直到2 0 世纪9 0 年代末，国内的学者才开始做这方面的研 究工作，并且相比国外的研究水平还存在一些差距，目前也已经有存在很多名称的气动 柔性驱动器。 虽然气动柔性驱动器的研究已经进行了长达半个多世纪，并且在这个方面也已经有 1 0 多年时间的广泛并且深入的研究，但是目前气动柔性驱动器的种类并不是很多，国内 外研究人员基本上都是针对以下几种典型的气动柔性驱动器进行实验研究： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代，美国原子物理学家j o s e p hl m c k i b b e n 研究设计出了最早的 气动人工肌肉驱动器，被命名为m c k i b b e n 型p m a ( p n e u m a t i cm u s c l e a c t u a t o r ) ，其 结构如图1 1 所示：橡胶管为内层，其外层用纤维网包裹住，两端用金属薄片挟箍密封。 当压缩气体充入橡胶管内部时，随着内腔气压的上升，橡胶管沿径向膨胀并且撑起纤维 网，从而产生约束作用，使得径向膨胀力转变为轴向收缩力，实现轴向方向的运动。美 国w a s h i n g t o n 大学的c h i n g p i n gc h o u 、b l a k eh a n n a f o r d 等人详细地对m c k i b b e n 型p m a 进行了静态特性等方面进行了深入研列2 ，3 】，同时进行了很多基于p m a 的气动柔性关节 控制方面研究。 浙江工业大学硕士学位论文 充气口 编织网橡胶管 l初始状态 图1 - 1m c k i b b e n 充气收缩 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代，日本t o s h i b a 公司研发了三自由度f m a 【4 l ( f l e x i b l e m i c r o a c t u a t o r ) 其结构如图1 2 所示：以硅橡胶制成的橡胶管作为结构主体部分，橡胶 管外壁中加入尼龙纤维起到加强作用，橡胶管内均匀分布3 个气室，两端由两个端盖密 封。通过外界气源进入不同气室，使得f m a 具备三个自由度。t o s h i b a 公司研制的三自 由度f m a 虽然尺寸小，最小直径仅为l m m ，长度为7 m m ，但是在这样的结构中设置3 个气室、嵌入尼龙纤维，加工技术难度高，成本高昂。 橡胶管 纤维 端盖气室 端盖 图1 - 2t o s h i b a 公司的三自由度f m a a = g = 3 a ：3 i 通气管 ( 3 ) 日本冈山大学的t o s h i r on o r i t s u g u 等人研发了一种旋转式气动柔性驱动器 ( p n e u m a t i cr o t a r ys o r a c t u a t o r ) s l ，其结构如图1 - 3 所示：该驱动器通过两个边板把 可伸缩部分夹在中间，如图1 - 3 ( a ) 所示。在边板的一侧连接通气管，以便用来控制器内 部气体的流通，如图1 - 3 ( b ) 所示。当压缩气体充入驱动器内腔时，由于边板厚度较大不 会发生变形，由于加强纤维材料起到约束作用，使得可伸缩部分不产生径向变形，所以 绪论 驱动器围绕其中心轴线进行特定的旋转运动，如图1 - 3 ( c ) 所示。 橡胶片边板 ( a ) 结构( b ) 初始状态( c ) 充气状态 图1 3 旋转型气动柔性驱动器 ( 4 ) 德国的k a r l s r u h e 计算机科学研究应用中心研究的柔性流体驱动器( f l e x i b l e f l u i d i ca c t u a t o r ) f 6 】，如图1 - 4 ( a ) 所示。其结构原理：利用两个夹板和一个气囊组成一个 柔性关节驱动器，两个夹板形成一个铰链，压缩气体( 或者液体) 充入时气囊膨胀，将 两侧夹板撑开一定角度，实现关节驱动，如图1 - 4 ( b ) 所示。 夹板 ( a ) 驱动器合拢状态( b ) 驱动器张开状态 图l 一4 柔性流体驱动器 ( 5 ) 浙江工业大学机电研究所通过在气动执行器以及机器人多指灵巧手方面的大 量研究，针对多指灵巧手关节驱动器向柔顺性、灵活性、小型化方向发展等特点，提出 了一种新型柔性驱动器f p a ( f l e x i b l ep n e u m a t i ca c t u a t o r ) 【7 8 】，其结构如图1 - 5 所示。 f p a 由嵌有弹簧的弹性橡胶管、两个端盖和管接头组成，弹性橡胶管作为核心部分，弹 簧缠绕在橡胶管中间，与橡胶管一起进行硫化处理，弹簧约束橡胶管径向膨胀变形的同 时也起到了加强刚度的作用。通过强力胶，将橡胶管的两端和端盖连接密封起来；在一 4 浙江工业大学硕士学位论文 侧的端盖上连接管接头，压缩气体可以经此进出驱动器。当压缩气体充入f p a 内腔时， 由于弹簧径向约束作用，弹性橡胶管只能在轴向上伸长产生变形，整个驱动器发生沿轴 向上的直线位移。释放f p a 内腔的压缩气体，由于橡胶管的弹性作用，驱动器恢复到初 始状态。 前端盖弹簧橡胶管后端盖 管接头 图1 5 新型柔性驱动器 上述气动刚柔性驱动器的工作原理基本相同：其动力源都为压缩气体，利用橡胶具 有弹性的特点，给定一定条件的约束后形成具有特定运动轨迹的刚柔性驱动器。这一类 型的气动柔性驱动器最大的特点在于柔顺性，适用于对柔顺性要求较高的场合，如农业 果实采摘、医疗、服务等行业。相对而言，新型气动柔性驱动器f p a 结构简单，易加工， 普通的机械厂和橡胶厂就能生产，由于采用橡胶管内部嵌入弹簧的方式，使得在充气过 程中不存在附加变形，从而在驱动器运动过程中，没有相对滑动和摩擦，还可以有效地 避免f p a 的径向变形，对驱动器的控制起到一定的作用。 1 3 基于气动关节的灵巧手研究现状 ( 1 ) 日本冈山大学的t o s h i r on o r i t s u g u 等应用旋转型气动柔性驱动器设计了一 种三指柔性手爪【9 】，如图1 - 6 所示。它可以抓取刚性球、刚性立方体以及柔性球体。 这种三指手爪主要依靠作为关节的三个驱动器产生动作，所以手指的开度由其结构 决定，张开、抓取的幅度相对较小，且其指节部分没有柔性，所以柔顺性相对较差，但 是整个手爪只需控制三个旋转型驱动器，易于控制。 绪论 ( a ) 初始状态( b ) 抓取刚性球 图1 - 6 基于旋转型气动柔性驱动器的三指手爪 ( 2 ) 2 0 0 4 年，英国的s h a d o w 公司成功研制出了基于气动人工肌肉p m a 关节的 s h a d o w 灵巧手，并先后对其进行了升级，图1 7 所示是目前该公司最新的产品c 5 ，c 5 是 完全根据人手的结构所设计的，具有5 个手指和2 0 个自由度，由4 0 根人工肌肉通过柔绳 及滑轮驱动各个关节运动，几乎可以实现人手所有的动作，并且配置有关节位置、指尖 力矩、气体压力以及触觉传感器【1 0 】，目前该灵巧手主要用于高等院校中的教学工作。 图1 7s h a d o w h a n d c 5 ( 3 ) 日本东芝公司的k o i c h is u z u m o r i 设计制作了基于三自由度f m a 的t o s h i b a 灵巧 手，如图1 8 所示，该手共有4 个f m a ，1 2 自由度。f m a 既是手指本体，又是驱动元件， 6 浙江工业大学硕士学位论文 它可以实现抓取、移动物体和拧螺钉等动作，由于f m a 的主要构成材料是橡胶，所以 t o s h i b a 灵巧手具有很好的柔顺性，不会对目标物体造成伤害，但是该灵巧手的控制系统 相当复杂【l l 】。 g r a s p ( a ) 抓烧杯( b ) 抓电池( c ) 拧螺钉 图1 - 8 基于f m a 的t o s h i b a h a n d ( 4 ) 浙江工业大学机器人实验室研究了基于新型气动柔性驱动器f p a 关节的灵巧 手，灵巧手采用模块化的设计理念，大拇指、食指、巾指、无名指以及小拇指( 以下简 称手指) 的结构完全一样，而且容易装配在手掌上。在基于f p a 的气动刚柔性关节的研 究基础上，本文设计了气动刚柔性机器人4 自由度手指，一种基于新型气动柔性驱动器 f p a 关节的气动灵巧手，并以z t 多指灵巧手命名1 1 2 4 9 1 ，如图1 - 9 所示，该灵巧手由5 个 相同的手指组成，具备2 0 个自由度，并且配置2 5 个传感器，具有力位感知功能。 图1 - 9z j u t 气动多指灵巧手原型 绪论 1 4 气动关节控制系统发展概况 由于基于气动柔性驱动器的关节不需要传动机构和减速装置，可以实现直接驱动， 并且具有结构简单、动作灵活、可弯曲、易于控制、功率重量比大、柔顺性好等特点， 气动关节作为新型气动执行器在机器人领域中的应用取得快速地发展和成效，同时也促 进了气动关节运动控制系统的迅猛发展，可以确切的说，伴随着微电子技术和计算机硬 件技术的迅猛发展，使得气动技术和微电子技术相结合，气动关节控制系统的应用发展 将进一步向着高科技化的方向且纵深化高速发展。气动关节控制系统的快速发展主要得 益于计算机、高性能信号处理器、气动伺服技术、自动控制技术的发展，而气动关节控 制器作为控制系统的核心组成部分，也逐渐成为自动控制研究方向上的重要产品【1 3 ，1 4 1 。 气动关节控制系统主要是采用气动伺服系统结合气动关节控制器的方式组成，由于 气动伺服系统具有非线性特性，导致气动伺服控制回路易出现饱和现象、稳定性差，且 气动关节也存在很大的偏差和滞缓，给气动关节的控制带来了很大的困难，目前对国内 外专门应用于气动关节控制系统的研究还很少，随着技术的进步和生产的发展，各种控 制策略在气动伺服系统中的发展应用也越来越深入，同时气动柔性驱动器种类的增多和 性能的提升，给气动关节控制系统的发展带来了契机 1 5 , 1 6 1 。 近年来，气动伺服技术已经实现了低功耗、小型化、高速度、无油化和机电一体化， 气动元件的不断创新，使得气动伺服技术的应用更加宽广，使之发展到高精度、高响应 的闭环控制或者开环控制的工作形式。气动伺服系统开发应用于工业和农业自动化领域 的同时，气动元件也由点位控制元件，向电气比例或伺服控制元件的方向发展转变，为 气动伺服系统进入实用阶段打下了坚实的基础 1 7 - 2 0 。尤其是近些年以来，美国、德国和 日本等工业相对发达国家竞相投入到该项工作的研究中来，并且也取得了较大的进展， 同时各种电气伺服控制元件的结构性能也日趋完善，国外各个气动元件生产厂家如 b o s c h 、f c s t o 、h e r i o n 、m a r t o n a i r 和s m c 等公司相继开发并研制了电气比例或电气伺 服阀，还出现了各种新型的气动控制元件。国内，北京机床研究所、浙江大学也分别开 发了电气比例阀。这些新型气动元件的出现，给气动伺服系统的发展打下了必不可少的 基础f 2 1 - 2 3 。 综上所述，通过数字信号处理器的高速数据运算能力，并对气动关节进行分析计算 并准确建模，以及结合适合于气动关节控制的智能化控制算法，可实现对气动关节运动 的准确控制，从而设计具有实时性和高效性控制功能的关节控制系统。因此个性化、专 浙江工业大学硕士学位论文 业化的气动关节控制器也成为一个新的研究方向，从目前的研究状况来讲，气动运动控 制器基本上可分为以下几种： ( 1 ) 专门用于机器人关节控制的控制器，这种控制器内具有专用控制芯片的集成 电路，其系统配置具备一定的灵活性，但是这类控制器的运行速度比较慢，成本也颇高； ( 2 ) 集成运动控制板卡的关节运动控制器，一般情况下，运动控制板卡与计算机 机组成主从式的结构模式，计算机完成一系列指令的发送动作，然后通过运动控制板卡 驱动运动执行机构进行运动，这种控制器虽然在运算速度上具备优势，但是很难针对专 门的气动关节进行精确控制。 ( 3 ) 基于微处理器的气动关节控制器，结合具备高速运算能力和体积较小的微处 理器，控制器嵌入到机器人，通过总线方式与p c 机进行通讯，这种方式下，更适合设 计专用关节的控制系统。 1 5 本课题主要研究内容与意义 本文以气动灵巧手的基本组成部件气动刚柔性弯曲关节为研究对象，根据现有基于 控制板卡的关节控制系统结构庞大、价格昂贵、兼容性差等缺点，通过实验调试，研究 并实现了一套具有自主知识产权的基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统，硬件系统主要 包括控制电路，驱动电路，通信电路等，同时本文还针对基于f p a 的气动刚柔性关节的 具体功能及精度要求，进行控制系统软件设计编写大量的程序，其中包括上位机监控界 面、d a 转换、a d 采样、控制算法、通信与i o 功能等。通过控制系统软件的实验调试， 实现气动刚柔性关节的控制精度达到一定的技术指标，解决原有控制系统的不足之处。 全文共分六章： 第一章：主要给出了课题的背景、研究意义、气动关节驱动器以及基于气动关节的 灵巧手的国内外研究现状、气动关节控制系统发展概况。 第二章：介绍本文控制对象新型柔性驱动器f p a 、基于f p a 的弯曲关节数学结构模 型，设计基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统整体方案，以及针对系统的特点提出了适 用的控制策略。 第三章：气动刚柔性关节控制系统的硬件设计，主要阐述了系统的相关硬件电路设 计，重点讨论了关节运动控制器最小系统构成、传感器信号处理、电气比例阀驱动的原 理及应用等内容。 第四章：气动刚柔性关节控制系统的软件设计，根据系统的硬件设计，采用模块化 9 绪论 的编程方式，介绍了系统的程序总流程、监控界面主程序、信号反馈程序、c a n 通信程 序等软件的设计。 第五章：主要进行气动刚柔性弯曲关节位置静态和动态控制实验以圾关节输出力矩 实验，并对实验结果进行分析。 第六章：总结与展望。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章气动刚柔性关节控制系统整体结构及控制策略 2 1 关节控制系统的控制对象 2 1 1 f p a 的结构原理 新型柔性驱动器f p a 是浙江工业大学机器人实验室从柔性气缸的基础上设计出来， 研究了f p a 静动态模型，并且实验验证了该模型的正确性【2 】。f p a 主要是由内嵌螺旋弹 簧、橡胶管、两个端盖以及管接头组成；其中，两个端盖与橡胶管密封连接，管接头与 其中一个端盖通过螺纹连接，螺旋弹簧紧绕在橡胶管的管壁中，压缩空气则可以由管接 头充入f p a 内腔，如图2 - 1 所示。f p a 的工作原理如下：压缩空气经过管接头进入f p a 的内腔，在压缩空气的压力作用下，使得橡胶管发生形变，同时受到内嵌螺旋弹簧的径 向约束作用，f p a 只能沿着轴向伸长；当气压减少后，f p a 在螺旋弹簧和橡胶管的回弹 力作用下，恢复原来状态：可以通过控制调节f p a 内腔气压大小，从而控制f p a 的轴 向伸长量。以上的动作方式即是驱动f p a 的整个过程。 l 管接头：2 ，5 端盖：3 橡胶管：4 螺旋弹簧 图2 1f p a 的结构图 f p a 的静态模型为： 址：坠当l 厶 2 风一( p p 珈) ，o ” 其中： 址下p a 橡胶管的伸长量，m l l ； ( 2 1 ) 气动刚柔性关节控制系统整体结构及控制策略 p f p a 内腔气压，m p a ： p 珈大气压力，m p a ； r o f p ! a 橡胶管的平均半径，即螺旋弹簧的半径，衄； 厶f p a 橡胶管的原始长度，m m t e f p a 橡胶管的弹性模量，m p a ： t o 开a 橡胶管的初始壁厚，l m 。 在此基础上研究了f p a 内腔压力与橡胶管轴向伸长量关系，得出了由于橡胶的粘滞 特性，给f p a 进行充气与放气时存在一个滞环的结论；同时也验证了f p a 理论模型的 正确性。f p a 相比其他气动人工肌肉具有良好柔顺性、易于小型化、动作平滑、制作简 单、成本低廉等优点。 2 1 2 气动刚柔性弯曲关节结构原理 基于新型气动柔性驱动器f p a ，实验室研制了了基于f p a 的新型气动刚柔性弯曲关 节f 2 4 】，其结构与实物照片如图2 - 2 所示。 ( a ) 结构图( b ) 实物照片 1 连接件；2 ，8 f p a 的端盖：3 连杆：4 f p a ：5 转轴；6 f p a 的橡胶管； 7 f p a 的螺旋弹簧；9 f p a 的管接头 图2 2 基于f p a 的刚柔性弯曲关节 弯曲关节是由一个f p a 、一个转轴、两个连接件以及两个连杆组成。其中，连杆与 连接件由螺纹连接起来，也可加工成一体化；f p a 的端盖与连接件采用固定连接。弯曲 关节的工作原理是：压缩空气通过末端管接头充入f p a 的内腔，在内腔气压的作用下， f p a 发生轴向伸长，从而推动连接件，并带动连杆绕转轴转动一定角度。当f p a 内腔气 体压力下降时，f p a 的恢复原状能力，带动连杆转动，进而使关节恢复原状。因此，只 浙江工业大学硕士学位论文 要调节充入f p a 内腔的气压就可以控制关节转动角度的大小，达到控制灵巧手中关节位 置的目的。 根据结构模型，推导了基于f p a 的气动刚柔性弯曲关节的转角静态模型以及输出力 静态模型，分别为： 尸= 警等鬟竽一t - p ( 2 - 2 ) a r m r o o 譬c o t ( 黑) + 月曾 f = 万( 一孚) 2 ( p - p o 细) = 万( 一手) 2 p ( 2 3 ) m = 用= 万( 一手) 2 尸! 日= k b p ( 2 - 4 ) 其中： 0 弯曲关节的弯曲角度，r a d ： 日弯曲关节转轴中心线与橡胶管中心线之间的距离，m i l l ； f 弯曲关节的输出力，n ： 肘弯曲关节的输出力矩，n m m ： 凹f p a 内腔的压力差，, i p a ； 凰弯曲关节结构参数，m m 3 ； t o 橡胶管初始壁厚，m m 。 2 1 3 气动灵巧手指的结构 在气动刚柔性弯曲关节为基础上，文献【2 5 】中提出了气动刚柔性手指的设计，如i 镧 2 - 3 所示，除驱动器f p a ，手指的其他本体结构部分均采用快速成型技术，即激光选择 性烧结成型技术加工而成f 2 6 】，是由强度和韧性综合性较好的尼龙材料( p a l 2 ) 构成。手 指采用平面三自由度的结构，由三个弯曲关节组成，并且集成了力位传感系统，可以通 过控制三个弯曲关节的角度，实现手指指端达到指定位置，并且还可控制手指指端与目 标物体接触的法向方向的角度大小，从而精确地控制接触点的法向正压力以及切向摩擦 力，有利于控制对目标物体输出力的控制；另一方面，考虑到整个手指的重量，没有设 计侧摆关节。 气动刚柔性关节控制系统整体结构及控制策略 图2 3 三自由度气动刚柔性手指原型 在三自由度气动刚柔性手指的研究基础上，文献【1 】设计了4 自由度的灵巧手指，并 成功地应用于z j u t 多指灵巧手。气动灵巧手指由三个弯曲关节和一个侧摆关节组成， 具有4 个自由度，且每个关节都是独立驱动，不存在机械耦合关系，其中：弯曲关节i 模拟人手指的远指关节，弯曲关节i i 模拟人手指的中指关节，弯曲关节i i i 与侧摆关节 的运动合成模拟人手指的近指关节。根据人手结构，三个弯曲关节的轴线相互平行，侧 摆关节竖直放置且轴线与弯曲关节的轴线垂直。手指通过侧摆关节固定安装在手掌上。 其3 d 结构和在z j u t 多指灵巧手上的应用，如图2 4 所示。 ( a ) 气动灵巧手指3 d 效果图( b ) 气动灵巧手之安装实物照片 图2 - 4 气动灵巧手手指 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 关节控制系统的结构体系 2 2 1 基于控制板卡的关节控制系统 目前，实验室所采用基于控制板卡的气动刚柔性关节控制系统，来进行对气动灵巧 手手指关节的控制。该系统控制原理：由工控机发送关节位置控制信号，再经过系统总 线，控制电气比例阀的输出气压压力大小，从而实现对气动灵巧手手指关节的控制：当 气压充入关节f p a 内腔后形成一个弯曲角度，由传感器采集关节弯曲后的位置信号并发 送到采集卡，再经过u s b c a n 转换器传输到工控机，做重复调节运算控制，直到满足 控制要求，如图2 5 所示。 图2 5 基于控制板卡的关节控制系统 基于控制板卡的关节控制系统采用了i s a 总线的商务数据采集板卡，由于该板卡必 须配套在相应的工控机上，从而使得控制系统结构体积大、价格昂贵，不利于基于f p a 的气动刚柔性关节控制系统与其他系统( 如机械臂) 的兼容与应用，并且不利于控制系 统向小型化、集成化的方向发展，因此，极大地限制了基于气动刚柔性关节的灵巧手在 今后的发展与应用范围。 综上所述，现有的基于控制板卡的关节控制系统存在以下缺点： ( 1 ) 系统结构体积大； ( 2 ) 系统价格昂贵； ( 3 ) 不利于与其他系统的兼容； ( 4 ) 不利于系统向小型化、集成化方向发展。 气动刚柔性关节控制系统整体结构及控制策略 2 2 2 基于微处理器的关节控制系统 由于原有关节控制系统的不足之处，根据目前气动关节运动控制器研究现状，结合 本课题特殊的被控对象为基于新型柔性驱动器f p a 的刚柔性弯曲关节，采用基于微处理 器的关节运动控制器作为气动刚柔性关节控制系统的核心部分，并且采用基于c a n 总 线技术 2 7 - 2 9 1 ，实现关节运动控制器与上位机进行通讯。这种控制系统能够有效地保证气 动刚柔性弯曲关节控制精度的同时也弥补了原有控制系统的缺点。 整个关节控制系统分为硬件控制系统和软件控制系统两部分，采用分层控制的方 式，将系统分为四个模块：上位机监控模块、下位机控制模块、c a n 通讯模块、关节 运动控制模块。如下： ( 1 ) 上位机监控模块：使用普通p c 机，完成气动刚柔性关节控制系统的监控，分 析关节运动控制模块和系统状态反馈的信息，以及实现人机互动等功能。 ( 2 ) 下位机控制模块：键盘内置于控制器中并外接l c d 显示屏，使用键盘的关节 控制命令输入，以及l c d 显示屏的系统信息反馈。 ( 3 ) c a n 通讯模块：c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 总线通讯技术是一种有效实时 控制和分布式控制的串行通讯网络【，o 3 l 】。通讯模块接收控制器传来的信息并传输到上位 机监控模块，而上位机监控模块也能够把控制任务通过c a n 总线传送到关节运动控制 器实现控制系统的运行。 ( 4 ) 关节运动控制模块g 气动刚柔性关节控制系统中关节运动控制器在硬件结构 上采用模块化设计方式，并且都支持c a n 总线通讯和外接l c d 和键盘，从而把控制指 令和运动数据发送到控制器，经过控制算法运算处理后输出电压信号，驱动电气比例阀 来控制关节运动，同时反馈各个关节状态。 系统分层结构如图2 - 6 所示。基于f p a 的气动刚柔性弯曲关节使用同一系列的电 气比例阀进行驱动，所有的阀都由关节运动控制器来驱动，每个关节可以完成指定的运 动。基于现场总线控制功能，将现场总线接口嵌入到控制器，形成智能型的数字控制单 元，将具有通讯功能的智能单元挂接在现场总线上，进而形成了新型的分层式控制系统 【3 2 】，同时控制器嵌入了键盘、l c d 等设备接口，可以通过上位机或者控制器内置键盘 可与外界以及相互间进行信息交流，使得控制器实现与上位机实时联系的同时也能够独 立完成对气动灵巧手指各个气动刚柔性弯曲关节的控制。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 旦l 瞄 上位机监控模块 c a n 通讯通讯模块 8 关节运动控制器 g 下位机控制模块 图2 - 6 关节控制系统分层结构 2 3 关节控制系统的控制策略 2 3 1 p i d 控制基本原理 在自动控制系统中，数字p i d 控制是采用最广泛的一种控制方法，p i d 控制器由动 态稳定系统用软件来实现，不断地比较设定信号和反馈信号，求出偏差值f 3 3 3 4 】。常规p i d 控制器原理框图如图2 7 所示，系统由p i d 控制器和被控对象组成。 图2 7p i d 控制系统原理图 p i d