（控制科学与工程专业论文）遥操作双边控制手控器设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 遥操作机器人系统的研究和应用是机器人研究领域的一个重点，手控器作为 遥操作机器人系统中的主手，是一种典型的机电一体化智能装置。随着延时和从 端环境复杂性日益加深，手控器主手的机构设计和控制效果也更加复杂。本文建 立了并联主手机械系统，基于遥操作控制基本算法研究，以双边p d 控制算法为控 制律，搭建了控制系统仿真模型，通过仿真实验验证了系统的稳定性、跟踪性和 透明性等，具体如下： 1 设计了三自由度平动( 3 t ) 并联主手机构和三自由度转动( 3 r ) 并联主手， 并分别进行了运动学分析，建立了主手机构速度和加速度方程。此外利用拉格朗 日算子对并联主手进行了动力学分析，为系统的仿真分析打下理论基础。 2 采用高性能p c 作为上层主控制器、多轴运动控制器作为底层伺服控制器， 设计了运动控制系统和遥操作模块，并搭建了手控器软件控制系统。针对手控器 从端恶劣环境和人工检测与维护的特点，设计了机器人远程故障检测与修复模块， 采用面向对象的系统软件设计方法使得软件系统具有较强的通用性和可移植性。 3 从与延时有关的双边控制角度出发，在并联主手机构数学模型的基础上， 对3 t 并联主手机构进行了p d 控制及与延时有关的鲁棒控制理论分析。最后通过 a d a m s 与m a t l a b 联合仿真，进行了手控器的操作空间分析，分析了搭建的遥 操作双边控制系统的跟踪性、稳定性等。 通过以上设计和仿真分析，完整的设计了并联主手机械系统和手控器控制系 统，对影响遥操作双边控制器稳定性、跟踪性及透明性的时延因素有了更深入的 了解。仿真结果表明，此系统和控制方法能够较快实现预期值，并有良好的鲁棒 性，可为以后更深入的研究提供参考。 主题词：遥操作双边控制手控器并联机构跟踪性 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t e l e r o b o ts y s t e mh a s 、) l ，i d ea p p l i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e so ns u c hk i n d o fs y s t e m sa l eb e i n gc a r r i e do u t i ti sa i li m p o r t a n tb r a n c hi nr o b o tf i e l d h a n dc o n t r o l l e r , w h i c hi sak i n d o fs p e c i a li n t e l l i g e n c em e c h a n o t r o n i c s - d e v i c ea n du s e dt os e n d c o m m a n d sf r o ml o c a lt or e m o t es i d e ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt e l e - r o b o ts y s t e m t a m p e r e db yi n c r e a s i n gt i m ed e l a ya n de n v i r o n m e n tc o m p l e x i t y ，d e s i g n i n gag o o dh a n d c o n t r o l l e rb e c o m e sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l t t h i sp a p e rp r o p o s e dap a r a l l e lm a n i p u l a t o r m e c h a n i c a ls y s t e m b a s e do nt h ef u n d a m e n t a la l g o r i t h mo ft h et e l e o p e r a t i o na n dd o u b l e p dc o n t r o l ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mw a sb u i l t t h es y s t e m ss t a b i l i t y ， t r a c k i n g ，a n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c ew e r ea l s ov e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s d e t a i l sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a3 tp a r a l l e lm a n i p u l a t o ra n da3 rp a r a l l e lm a n i p u l a t o rw e r ed e s i g n e d , e a c h k i n e m a t i c sw a sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h es p e e da n dt h ea c c e l e r a t i o ne q u a t i o n sw e r e b u i l t b e s i d e s ，d y n a m i c sa n a l y s e so fb o t hm a n i p u l a t o r sw e r ep e r f o r m e du s i n gl a g r a n g e o p e r a t o r a l lt h ew o r ka b o v eh a sg r o u n d e dt h ec o m i n gs i m u l a t i o ni nt h e o r y 2 m o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt e l e o p e r a t i o nm o d u l ew e r ed e s i g n e d ，a n dt h e s o f t w a r es y s t e mw a sa l s ob u i l t ，u s i n gh i g hp e r f o r m a n c ep c2 l su p p e rl e v e lc o n t r o l l e ra n d p o l y a x i sm o t i o nc o n t r o l l e ra sl o w e rl e v e ls e r v o c o n s i d e r i n gt h eu l t r ac o m p l e xr e m o t e e n v i r o n m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fd e t e c t i o na n dm a i n t e n a n c e ，t h er e m o t ed e t e c t i o na n d r e p a r a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e d p r o g r a m m i n gi no b j e c to r i e n t e dw a yc a np r o v i d et h e s o f t w a r es y s t e mm o r ep o r t a b i l i t ya n dm o r er e u s a b i l i t y 3 a sl o n ga st i m ed e l a yw a sc o n c e m e d ，a f t e rb u i l d i n gt h es y s t e m sm a t h e m a t i c m o d e l ，p dc o n t r o lo ft h e3 tp a r a l l e lm a n i p u l a t o rw a sc a r r i e do u ta n dr o b u s ta n a l y s i s w a sp e r f o r m e d c o m b i n i n gt w os i m u l a t i o ns o f t w a r e - a d a m sa n dm a t a l b ，t h e t r a c k i n ga b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep r o p o s e db i l a t e r a lc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la st h e o p e r a t i o ns p a c eo f t h eh a n dc o n t r o l l e r ，w e r ea n a l y z e d a f t e rt h el i s t e dw o r ka b o v ed e s c r i b e daf u l l yd e s i g no ft h ep a r a l l e lm a n i p u l a t o r m e c h a n i c a ls y s t e ma n dh a n dc o n t r o l l e rs y s t e m d e e pr e s e a r c ho nt h et i m e - d e l a yf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h es y s t e m ss t a b i l i t y ，t r a c k i n ga n dh a n d l i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e nd o n e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h ep r o p o s e ds y s t e ma n dm e t h o d sw e r ee f f e c t i v ea n d w o u l dp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c et ot h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：t e l e o p e r a t i o n , b i l a t e r a lc o n t r o l ，h a n dc o n t r o l l e r , p a r a l l e lm e c h a n i s m , t r a c k i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 电机传动率2 9 表4 2 力力矩传感器主要技术指标3 0 表5 1 并联主手机构仿真参数4 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 遥操作系统工作模式示意图1 图1 2h c 0 1 通用型异构远程操作机器人手控器3 图1 3 遥编程、主从双边控制系统方案略图4 图1 4 双边p d 控制器结构5 图2 13 t 并联主手机构模型8 图2 23 t 主手机构连杆9 图2 33 t 主手机构运动执行构件。9 图2 43 t 并联主手机构简图1 0 图2 53 r 并联主手机构模型15 图2 63 r 并联主手动平台15 图2 73 r 并联主手机构简图1 6 图4 1 伺服系统结构图2 7 图4 2 多轴运动伺服控制系统结构2 7 图4 3e c p o w e r m a x 直流无刷电机2 8 图4 4 六维力力矩传感器2 9 图4 5p i c 总线p m a c 多轴运动控制卡3 l 图4 6 遥操作的控制流程3 2 图4 7 故障诊断系统结构。3 2 图4 8 手控器类对象结构图3 3 图4 9 基于p c 的运动控制体系软件层次结构。3 4 图4 1 0 运动控制系统抽象对象层次结构3 5 图5 13 t 主手机构示意图3 8 图5 2 墨= r ：工作空间图3 8 图5 3r 1 不等于r 2 工作空间图3 9 图5 4 三支链操作空间相切图。3 9 图5 5 并联主手拆散后的机构简图4 0 图5 6 双边控制系统机构框图4 2 图5 7p d 控制块框图4 4 图5 8 并联主手机构a d a m s 仿真模型4 8 图5 9 并联主手机构仿真模型俯视图。4 8 图5 1 0 驱动杆4 蜀处转角速度4 9 图5 1 1 驱动杆彳，尻处转角速度4 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 2 驱动杆以职处转角速度4 9 图5 1 3 仿真流程5 0 图5 1 4 从端结构图5 0 图5 1 5 从手末端反馈力曲线5 1 图5 1 6 4 e 杆位置跟踪曲线5 2 图5 1 7 彳，尻杆位置跟踪曲线5 2 图5 1 8 彳，b ，杆位置跟踪曲线5 2 图5 19 三关节驱动力矩5 3 图5 2 0 末端执行器轨迹偏差5 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：量握丝区垫控劐壬整墨遮进 学位论文作者签名：! 塾唆 日期：沙口7 年夕月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：量握笠瑟垫控剑壬控墨遮! 土 学位论文作者签名：! 虱唆 日期：沙口，年夕月日 作者指导教师签名：圣堡 日期：”q 年9 月日 作者指导教师签名：垒终 日期：”1 7 年7 月 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 从2 0 世纪4 0 年代用于清理核废料的m 1 【l j 型主从式遥控机械手研究应用到今 天，遥操作机器人的应用领域在不断地扩大，其科研价值和实际应用使得遥操作 技术的研究逐渐从热点变成最有价值的机器人技术之一。受现有技术( 传感器技 术，人工智能技术，控制技术等) 水平的限制，在机器人智能化并不能完全取代 人类智能的今天和未来一段时间内，研究协作型机器人( c o l l a b o r a t i v er o b o t ) 【2 j 成为机器人理论技术研究的前沿，而在当前，协作机器人已经广泛应用于空间探 索、海洋开发、远程医疗、微生物工程和核物理等领域。与此同时，遥操作机器 人所承担任务的复杂性也在不断增加：从结构化、已知环境中的重复性操作到非 结构化、未知环境中的非重复性操作。而且其精度要求也越来越高，需要完成一 些诸如运动目标捕获，远端装配，远程维修之类的精密任务1 3 】。这也就要求主手端 的控制指令更加实时和精确，随时针对各种复杂的突发或意外状况，准确合理对 远端从手实施有效的控制。而在目前，机器人在在智能决策和对异常情况的处理 尚不及人类，故设计出一种能够完成底层控制，诸如能精确地完成诸如位置控制、 力控制这类任务的主端端主操纵手势在必行。 图1 1 遥操作系统工作模式示意图 考虑到远端环境的复杂多变和任务要求的多边性，遥操作作为一种典型的有 人参与的机器人局部自主方式也得到了历时长久深入的研究。在当前条件下，遥 操作系统一般为一个电气或机械的系统，通过它操作者能够在本地端控制远端的 机构完成一些操作任务。图1 1 为基于双边控制而提出的遥操作系统工作模式，其 中的双边组件部分是整个控制策略的核心，也是整个遥操作系统实现首要解决的 问题。文例中通过遥操作机器人的遥操作技术研究，解决了诸如时延、稳定性与透 明性指标确定与量化的问题，本文在前人对遥操作技术研究的技术上，主要对手 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 控器，即主机械手的设计做了基础性研究。 手控器是双边遥操作技术实现中的关键部分，作为人机接口设备，其性能好 坏直接影响双边遥操作的效率。手控器是主从控制和双边控制的基本组件，其作 用是把操作人员对手柄的操作转化成遥操作机器人的期望轨迹。手控器由主手和 主手控制器组成。一方面应用主从控制算法，可以对远端机械手末端位置实施直 角坐标空间的操作控制；一方面应用双边控制算法，可以对远端机械手末端位置 实施操作控制。上世纪8 0 年代末以来，随着双边控制研究的兴起，出现了采用并 联机构设计的手控器。其本质上一方面要实现主手位置或速度向从手位置或速度 的转换，而另一方面要使操作人员通过肌肉感觉获得从手的位置或速度运动状态， 即所谓的力感觉。与串联形式的手控器相比，采用并联机构设计的手控器具有天 生机械刚度，能够容易获得这种硬接触感觉，成为力反射手控器的发展趋势【4 j 。 本文从控制角度出发，结合手控器实际操作中，多自由度手尤其是并联及混 联机械机构所带来的机构耦合问题，以及机构运动过程中产生的奇异点问题，设 计了一种三平动和三转动机构，参阅现有通用的手控器设计的方案，以满足遥操 作双边控制中对远端多自由度从手的控制要求为实现目的，设计了两种三自由度 并联机构。并根据机构的特点和任务需要，进行了运动控制系统和遥操作故障处 理模块的设计，在遥操作双边控制技术的基础上，进一步分析了手控器作为主手 的控制算法及其控制的鲁棒性，最后进行了仿真分析，验证结果表明搭建系统模 型正确有效。 1 2 国内外研究现状 国外对于手控器的研究最早开展于上个世纪中期。自1 9 世纪4 0 年代g o e r t z 在他的主从系统中首次提出了h a p t i ci n t e r f a c e ( 触觉装置) 1 5 j 的概念开始起，主手 ( m a n i p u l a t o r ) 、手控器( h a n dc o n t r o l l e r ) 以及协作机器人( c o b o t ) 等更加符合遥 操作系统要求的概念和构想相继提出，但不论如何变化，处于本地端的机械手所 完成的任务性质是相同的，即把人手的操作转变为控制远端的输入量。1 9 4 9 年， 美国a n l 实验室( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 为了实现高强度核辐射环境中核 原料的搬运，研制了纯机械结构的m 1 型主从式遥控机械手。它是一个7 自由度串 联机构，限于当时的科技发展水平，这种遥控装置存在较多缺陷，而且从今天的 观点来看，研制这样的系统太过笨重，为了提高遥控主从机械手的性能，a n l 在 1 9 5 4 年还研制出了采用电液伺服控制的主从机械手。到上世纪7 0 年代中期，欧、 美又相继研制了多种多样的遥操作机械手，性能得到了部分提高和改进，但是， 比较广泛使用的主从机械手仍然类似于m 1 或其改进或仿制品，没有脱离上述早 期遥控机械手的体系结构。到了上世纪9 0 年代，随着空间技术的高速发展，美国、 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 加拿大、欧共体各国、日本和俄罗斯等国在内的许多国家和机构都对空闻遥操作 机器人展开了研究其中比较有代表性的是美国航空航天局( n a s a ) 、欧空局 ( e s a ) ，以及日本空间发展局( n a s d a ) ，他们都制定了空间遥操作机器人的 研制和试验计划。 遥操作技术首要的问题是如何搭建与任务相适应的遥操作机器人系统，而系 统的硬件实现主要体现在主手与从手的设计上。从机械结构上看，早期的机器人 手控器( 主手) 采用串联机构形式，但从操作空间以及主手所能承受的刚度来要 求，本地端机械手造价太过昂贵并且难于操作。与串联形式的手控器相比，采用 并联机构设计的手控器避免了串联机构的绝大部分缺点，自i n o u e 提出了一个采 用并联机构设计的操作杆起，相继出现了并联机构中经典全并联s t e w a r d s 平台。 在此基础至上，k i y o u n g w o o 等人基于五连杆并联机构实现了一个6 自由度的力 反射手控器。y t s u m a k i 等人也提出了一个紧凑的6 自由度力反射手控器，并以 e t s v i i 口棚卫星上的机械手作为控制对象，进行遥操作实验，获得了成功。 从我国国内研究情况来看，开始对s t e w a r t 平台研究起始于上世纪8 0 年代的 燕山大学，那时我国对机器人研究也才刚刚起步由于底子较薄，首先的研究方 向是在工业应用方面。随后我国中科院沈阳自动化所和郑州高等专科学校在“8 6 3 ” 技术计划的资助下，先后于19 9 5 年和1 9 9 8 年研制了多套异构式手控器，它们都 是对美国n a s a 和s t a n f o r d 手控器的改进，难以摆脱国外研究套路的盲点，与现 在的控制要求相比，机构本身已经不能满足控制需求。 东南大学研制的h c 0 1 通用型异构远程操作机器人手控器是我国自行研制的 四关节机械手州。各关节全都是转动性关节，末端带有通过对齿和齿轮驱动的两 个手指。手控器各关节上装有与关节轴同轴转动的线性电位器，用以测量各关节 转动的相对位置。在手指上还有测量指力的两个应变电阻桥路。这些传感器的信 号通过后级的信号采集板转换成模拟电压信号，通过一块a d 采集扳将它们转换 为数字信号进行后续处理。该手控器的实物照片如下： 翟 零i _ 唾罪慧黧 速爨蠖 图1 2h c 0 1 通用型异构远程操作机器人手控器 h c 0 1 通用型异构远程操作机器人手控器是根据连杆机构并联的结构原理按5 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 个独立自由度( 3 个平动自由度和2 个转动自由度) 设计，平动与转动自由度互不 耦合。他的机械结构由3 部分组成：第一部分是串联而成的两级并联机构，它形 成的平动平台具有沿x y z 三个坐标轴平行移动的特性，用以确定手控器末端的位 置；第二部分为安装与这个平动平台上的两个转动自由度，用以模拟手控器末端 的姿态；第三部分为手控器最末端的手爪，由两个转动关节组成，可以实现抓取 功能。手控器的位姿信息由安装在手臂关节处的标准传感器和手腕关节处的磁阻 传感器测量得到，而力觉反馈则通过直流力矩电机实现。可以说，h c 0 1 达到了当 时国际上比较先进的水平，缩小了我国与国外在此领域上的差距，为后续开展遥 操作系统中手控器的研究提供了一个良好的范例。 遥操作技术面临的第二个问题是采用怎样的方法将遥操作人员的智能投射到 远端机械手。经过多年的发展，出现了多种遥操作机器人控制方法，但它们基本 上可以划分为三大类：主从控制( m a s t e rs a l v ec o n t r 0 1 ) 、双边控制( b i l a t e r a l c o n t r 0 1 ) 、遥编程( t e l e p r o g r a m m i n g ) 。 图1 3遥编程、主从双边控制系统方案略图 如图1 3 所示，根据从手任务需求，遥编程、主从双边控制三个方案分别或 者相互依托实现对从手的控制。在遥编程模式下，操作员可输入任务级机器人运 动指令，此指令通过主端控制系统解析后，转化成一系列简单命令，顺序发送到 远端机械手执行，并将执行状态返回遥编程界面。操作员可根据返回结果随时发 送指令来干预远端机械手的运动。在主从控制模式下，操作员直接操纵手控器， 将手控器的位置或速度形成远端机械手运动指令，远端机械手跟随该指令运动。 与主从控制方式相比，双边控制实际上是增加了一条把反映远端机械手运动状态 信息的虚拟力反馈给主端操作人员的通路，使操作人员能够通过直观感受远端机 械手运动状态，及时做出正确的决策。前面提到的双边控制组件，在此也起到切 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 换控制模式的作用。 综上所述，主手也就是手控器的设计要遵循主从双边控制算法，可以对远端 机械手末端位置实施操作控制，并通过主手控制器解析本地端手控器在用户操作 下的运动，生成运动轨迹和运动速度，作为期望轨迹发送到轨迹规划单元，进而 启动主从双边控制。主手控制器则采用双边p d 控制方法实现双边控制。双边p d 控制中主端向从端传递速度信息，从手的控制采用位置控制，使从手跟踪主手运 动；从端向主端反馈速度信息，主手的控制采用位置控制，使主手跟踪从手运动， 操作者感受到对应的控制力，从而完成虚拟力反馈。双边p d 控制方法的原理如图 1 4 所示，其主手和从手都采用位置误差的p d 控制，前向传递和反向反馈的信息 分别为主手和从手的速度。 图1 4 双边p d 控制器结构 遥操作技术另外一个问题是：遥操作人员如何能够获得足够的、实时的远端 环境信息反馈。获得遥操作远端环境的信息，无疑受限制于通讯带宽及传输时延。 文献【3 】中基本上有两种使遥操作人员获得远端操作信息的方法：视觉反馈和力觉反 馈。视觉反馈包括现场视频反馈( l i v ev i d e of e e d ) 和预测显示( p r e d i c t i v ed i s p l a y ) 。 现场视频反馈是一种经过时间延迟后的视觉信息反馈；预测显示是经过补偿时间 延迟后的视觉反馈信息，预测显示是通过建立远端机械手的操作预测模型来补偿 时间延迟所带来的影响，它通过图形显示的方法，给出远端机械手的伪实时响应， 操作人员以此图形为基础进行操作，以克服时延带给操作人员直觉错误和操作错 觉。预测显示结合日益成熟的灵境( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术，能够给与操作人员更 好的临场感。 1 3 本文研究的内容及章节安排 本文基于1 2 中所述，在8 6 3 高技术项目“主从双边控制”的背景下，根据项 目中遥操作环境的需要，从数学和控制角度出发，提出了两种三自由度并联机构 的设计方案，并对手控器的运动学、动力学进行了详细的分析和解算，讨论探讨 了运动控制系统的结构设计和其中遥操作模块的实现，最后在对3 t 并联机构主手 的操作空间和数学模型分析的基础之上，搭建了一套基于双边p d 控制算法的三平 动自由度机构主手控制虚拟从手的实验系统，通过仿真结果分析，验证了3 t 并联 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 机构数学模型的正确性以及实验方案搭建的可行性，对遥操作机器人实验系统做 了一定的基础性研究，对遥操作双边控制理论进行了进一步研究，并对并联主手 设计的理论研究做出了补充。 本文的研究内容大致分为三个部分，即手控器并联机构设计理论的研究和手 控器控制系统硬件、软件结构中遥操作模块的设计以及基于双边控制的手控器控 制从手的一种方案，依次分四个章节进行介绍，具体内容如下： 第二章从并联主手机构特点出发，主要设计了三自由度平移( 3 t ) 并联主手 机构和三自由度转动( 3 r ) 并联主手机构，并分别对其进行了运动学分析，因并 联机构的正解比逆解更加复杂，从课题需要出发，重点对两种机构的运动学正解 进行了分析，为后续的动力学分析做了基础性的铺垫。 第三章对三自由度平动主手机构和三自由度转动主手机构做了动力学分析。 本章采用的是拉格朗日方程，即在列出个活动构件的质心位置时，对其进行微分 就可以得到运动方程式，进而求出系统的动能和势能，通过对拉格朗日算子进行 微分求得系统的动力学。 第四章进行了运动控制系统的设计和遥操作模块的实现，初步搭建了手控器 系统的软件系统结构。在运动控制系统设计中，首先搭建了系统的总体结构，随 后在几个重要硬件的设计中给出了比较详细的方案。针对手控器作业环境恶劣， 难以人工现场检测与维护的特点，简要设计了机器人远程故障检测与修复模块。 第五章从双边控制的角度出发，在对并联主手机构操作空间和数学模型分析 的基础上实现了其动力学的建模，结合p d 控制以及与延时有关的鲁棒控制的分 析，最后通过搭建一套仿真系统详尽分析了此控制系统的稳定性和跟踪性，结果 表明此控制方法能使系统较快的达到预期值，并且具有良好鲁棒性，验证了数学 模型的准确性以及仿真方法的可行性。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章手控器机构设计及运动学分析 2 1 引言 手控器按照组合机构的结构形式可以分为串联式、并联式和复合式。其中， 并联式机构可以对平台的平动和转动实行解耦，利于提高运动精度，而且具有结 构刚度大、承载能力高的特点，在机器人遥操作领域越来越受到重视【9 d 。三自由 度并联机构可以分为四类：3 t 并联机构、3 r 并联机构、2 r 1 t 并联机构和1 r 2 t 并联机构。3 t 并联机构动平台失去了3 个转动自由度，受到的约束为3 个力偶， 属于第三类特殊旋量三系；3 r 并联机构动平台失去了3 个移动自由度，受到的约 束为3 个力线矢，也属于第三类特殊旋量三系；同样，2 r 1 t 并联机构属于第二类 特殊量三系，1 r 2 t 并联机构属于第一类特殊量三系【1 2 1 。其代表机构有： d e l t a 机构：由1 2 个球副和三个r 副组成，其实际操作空间较小； m a r y l a n d 机构：由2 1 个r 副组成，较之d e l t a 机构精度高。制造易，但是机 构存在虚约束： 3 _ r r c 机构：机构结构简单，但是存在虚约束； 基于双虎克铰的三平移机构：3 - r r t 机构、3 t p t 机构和3 _ i m u 平台机 构均属此类； 2 - - r r c & s p s 机构：结构简单，运动分析容易，但是三条支路结构不完全相 同。 本章将研究一类新型的空间三自由度3 t 和3 r 并联机械手，充分利用并联机 械手的优点，在机构设计的基础上对其运动做一定的分析，确定其与运动相关的 参数和唯一解。在研究并联机构构型综合之前需要对并联机构进行一下分类，如 果根据结构对称性可把并联机构分为5 类：全对称、结构对称、输入对称、分支 对称和非对称。从运动学角度来讲，并联机构的运动学特性由其特定的运动副和 运动构件相互作用来决定，尤其是运动副的自由度特性很大程度上决定了机构的 运动特性。在并联机构中，任何一条直线或者一段圆弧的形成都是通过若干空间 曲线的小段逼近的，它是若干并联运动构件同时发生位移的结果，其过程是闭环 的和并联的，各构件相互制约，其控制过程较为复杂【1 3 , 1 4 】。所以在设计并联机构 时必须考虑以下特点： 非线性，动平台或者主轴部件的运动参数( 速度、加速度) 的变化都是非线 性的； 奇异性，动平台或者主轴部件在不同位置时，机构的静态和动态性能有较大 的差异，甚至末端的位置都存在一定的不可预测性； 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 三自由度平动( 3 t ) 主手机构设计及运动学分析 22l 设计原则 并联机器人机构随着应用领域的扩展很多实际操作任务不需要空间全部六 自由度 1 5 - 1 7 】。由于自由度数的减少使机构的运动副数和杆件数减少，有更简单的 机械结构，从而使设计、制造和控制的成本都有可能得到降低。特别是具有完全 相同的分支链，保持结构对称，具有各向同性的对称少自由度并联机构，三平动 并联机构便是其中之一，也是目前国际学术界和工业界关注的热点和前沿【“i 。 2 22 机构设计 三自由度平动主手机构的运动特点是，主手运动执行部分在空间中只能沿三 个坐标轴作平动。根据平动并联机构的综合理论，三自由度平动并联转动主手机 构，除了要求能准确完成给定的动作之外，还要求所设计的机构具有强度和剐度 高，能快速响应输入等。尤为重要的一点是，要求所设计的机构能实现简单有效 的控制。 参考国内外相关遥操作中手控器主手机构的选择设计，根据本项目遥操作任 务的难度以及对系统匹配的总体考虑，选择三自由度的并联主手的结构如图21 所 示，系统有在水平方向和竖直方向上的三个个平动自由度，水平方向上三杆由三 个电机驱动，竖直方向上由一个电机驱动，机构是对_ 甲面二自由度冗余驱动二甲 动的机构的改进和扩展，增添的一个竖直方向自由度在控制上更多了一个输出量， 对于手控器之于从手的控制操纵增加了一维空间，对于从手多为6 或7 自由度的 串联机械手而言更加直接，而不需要机构之问增加设置补偿器。 图2 13 t 并联主手机构模型 第8 页 国舫科学技术大学研究生脘碗士学位论立 主手机构由三条支链组成，每条支链由连个转动的刚体( 构件) 组成，每一 对关节与构件构成一个自由度。通常在每个关节( 低副) 处连接两个杆件，两个 杆件的相对位置由两杆件间的距离工和夹角最确定。 图2 2 是3 t 主手机构的主要连杆，能将伺服电机的运动和动力传递到运动执 行部分连杆与连杆、连杆与电机、连杆与运动部分之间都是通过圆柱低副连接。 图2 23 t 主手机构连杆 图2 3 为三自由度平移主手机构的运动执行构件，由在上方安装的伺服电机直 接驱动，在三维空间中只能做垂直运动平动。 223 运动学分析 图233 t 主手机构运动执行构件 主手的机构简图如图2 6 所示， ，一：的距离为厶，一：a ，的距离为厶，。一，的 距离为l s ：a ，只( f = 1 , 2 , 3 ) 的长度为。( f = 1 , 2 ，3 ) ，与水平正方向的夹角分别为 识o = 1 , 2 ，3 ) ，连杆质心到4 的距离为，川 与4 置夹角为h ，运动转角为目。； 噩c r ：时，内外边界圆同时存在，工作空间是一个圆环； 3 当r 1 时，两连杆长度r 1 昆比值越大，工作空间越小； 定义：d = 3 尺。称为固定平台a i a ：彳，三个顶点间的距离，以止为原心建立如 图5 1 所示的参考坐标系，可得a l ，儿的坐标位置为： 4 ( 孚玛，兰恐) ，4 ( 一孚玛，兰b ) 显然，并联主手在二维平面的作业空间应是三个串联连杆独立作业空间在平 面内的交集，同样，采用m o n t ec a r l o 方法对其进行分析： 本文取d = o 8 6 m ，则：恐= 0 4 9 7 假定确定r ， r ：及d ，且取2 6 d + 万。 如果蜀= 足= 0 2 1 5 图5 4 三支链操作空间相切图 工作空间相切，如图5 4 ，如果取：r 2 o 2 1 5 ，由条件： 第3 9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 d = 2 ( 墨一r 2 ) 足 0 2 1 5 如果取：墨o 4 3 ，由于：马 d + 8 条件无法满足，则： 墨 o 4 3 考虑到实际机械结构的限制，取： 墨 d = 0 8 6 f 足 墨 o 。8 6 m 0 2 1 5 m o ( i = 1 , 2 ) p ：x d x ， p 是末端执行器运动位置偏差向量，在驱动冗余并联主手机构中，驱动关节4 的力矩分布具有不确定性。采用伪逆法对驱动力矩进行分配，可以使得到的驱动 力矩乞的2 范数最小，即所有的驱动力矩都转化为末端执行器的输出力，机构的内 力达到最小。因此有 t 口= ( s r ) + ( 髟p + k ，p ) ( 5 1 6 ) 末端执行器空间坐标系下，p d 控制方块如图5 7 所示。 分析工作空间p d 控制的稳定性，合并式( 5 7 ) 与式( 5 1 5 ) 。 mx + p x = s l t o = k de + k p e 即m e + ( p 4 - k d ) p + k p e = 0 ( 5 1 7 ) 为 跫哙 t d 工) 叫 d ，) k 正向运动 ( s r ) + 并联 机构 雅可比矩阵j a 0 吠r ) 图5 7p d 控制块框图 取冗余并联平动主手动力学方程式( 3 1 3 ) ，可得 阽i ，e 2 衍一p 2k p p 由詹、k 。的正定性可知，y 是全局正定的，对其求导得 矿毒r 力4 三2 占r 白4 1 ，e r 肪砖rk p e - i - i 1p r 巧占 2 2 22 ， ( 5 1 8 ) =em p + - - em e - i - p k e p 由式( 5 7 ) 中a f t d t 一2 i , 是反对称矩阵可知2 占户苫= 毒詹；，所以矿可表示 r r 一r r v = ep e + em e + ek p p = 一ek de ( 5 1 9 ) 从式( 5 1 9 ) 可知，沿系统( 5 1 7 ) 执行运动部分的轨迹是半否定的：由k d 的 第4 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 正定性可知在v = 0 时，e 兰0 ，从而e 毒0 ，代入工作空间p d 系统( 5 1 7 ) 得到 k pp = 0 ；再由k ，的正定性，得p = 0 。因此，( p ，口) = ( o ，o ) 是并联主手机构全局逐 d 渐稳定的平衡点，即从任意初始条件( k ，x o ) 出发，都有k x d ，j o 寸膏。 5 4 2 并联主手控制鲁棒性分析 由式( 5 4 ) 可知，当系统参数不全部确定，取肪、户的估计值分别为m 一、p 一， 则并联主手的闭环方程为 肪膏：厩+ f x ( 5 2 0 ) 式中：户一芦。由肪可逆性可得 v x + ( v ，x ，彳) = 0 ( 5 2 1 ) 其中，( 1 ，x ，x ) 表示系统不确定性的影响。选取 1 ，= x + k d ( x a x ) + k 。( 义0 一x ) + a v 代入式( 5 2 1 ) ，化简后得 ( x x ) + k d ( r d x ) + k 。( 义0 一r ) + a v + 万= 0 ( 5 2 2 ) 式中 万兰( 肪- 1 j 西一，) 【膏+ 局( j d j ) + k 。( x d x ) + v 】一衍一1 歹 ( 5 2 3 ) - x d x 1 令x2 lj d 一膏l 则闭环状态方程为 主= 一：p 一二d x + 二， c v + 万，兰么x + b c v + 万， c 5 2 4 ， 为保证系统( 即式( 5 2 4 ) ) 在不确定项万的作用下仍然满足设计要求，即使 受控系统具有鲁棒性。衍是一致正定的，即存在正数五、五使得 4 1 m 如， r ” 存在已知有界函数( x ，f ) ，使得 h i ： 咐， 嘶m 犬” 当主手机构各关节均为转动关节时可满足上条件。三自由度主手机构在平面 内是一全转动副形式的闭环结构，因而有 第4 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 p 厨- l l ：口 1 ， v y r ” i i v i l 2 p ( 五f ) ，v x ，x r ” 2 p ( x ，f ) ，v x ，x r ” 其中口为常数，p ( x ，f ) 为对r 的有界函数。对式( 5 2 4 ) 取2 的范数，因为 0 口 占 2 6 ， b 彬) 竽，审戥卜 式中，占为一正数。可以看出i i a v i i ： p ( x ，f ) ，当口值越大时，所用到的| i v 0 ：就 越大，即消耗的控制能量就会越多。所以在控制系统中应该充分利用已知信息， 使得估计的值尽可能的准确，从而使口尽可能小。 取矿( x ) = x r e x ，则y ( x ) 沿控制系统( 式5 1 7 ) 的导数 矿= 一x7 q x + 2 ( b r e x ) r ( a v + p i i 召b t 眈e x l f ( 5 2 7 ) 当忙r 戥i i ：占时，将加