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气动柔性扭转关节的控制策略研究 摘要 由于气体介质的可压缩性和粘度小等特点，导致气动系统具有强 非线性、固有频率低、刚度小和阻尼比小等不足，所以使得气动伺服 定位技术的进展缓慢，实际应用也不多见。随着控制技术和计算机技 术的发展，为解决上述难题提供了良好的条件。本论文在浙江省自然 科学基金项目( 项目编号：y 1 0 4 3 5 8 ) “新型气动柔性关节的基础研究” 的研究背景下，进行了气动柔性扭转关节的研究与应用。 本文第一章主要综述了气动伺服系统以及气动驱动器的发展与 现状，阐述了本课题研究的意义，最后概括了本文所研究的主要内容。 第二章介绍了气动柔性扭转关节及其执行系统的实验平台，分述 了气动回路和控制回路的组成，开发了相应的应用程序。 第三章对气动柔性扭转关节执行系统进行了理论分析与数学建 模，推导出系统的动态特性方程。 第四章通过实验的方法辨识出气动柔性扭转关节执行系统的开 环模型。 第五章重点阐述了气动柔性扭转关节中控制系统常规模糊控制 和非对称模糊控制的原理和设计方法，结合模糊控制与p i d 控制的优 点，提 非对称模糊p i d 混合控制。模糊p i d 混合控制的应用，使得系 统取得了非常好的动态响应性能，增强了系统的自适应性和鲁棒性。 第六章对上述j ：作做了总结，并对本课题后续研究方向进行了展 望。 关键词：气动柔性扭转关节，橡胶驱动器，系统辨识，非对称模糊p i d 控制 r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g y f o r f l e x i b l ep n e u m a t i ct o r s l 0 n j o i n t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e g r e a tc o m p r e s s i b i l i t y a n dl o wv i s c o s i t yo fa i r ， p n e u m a t i c s e r v os y s t e m sa r eo f h i g hn o n l i n e a r i t y ，l o wn a t u r ef r e q u e n c y ， l o ws t i f f n e s sa n dl o wd a m p i n gr a t i o ，s op n e u m a t i c s e r v o t e c h n o l o g y d e v e l o p e ds l o w l y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，n e w m e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt op n e u m a t i cs e r v os y s t e m ，w h i c hm a k e si t p o s s i b l et os o l v e t h ep r o b l e m se x i s ti nt h e s es y s t e m s an e wk i n df l e x i b l e p n e u m a t i ct o r s i o nj o i n ti s r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ，a n dt h i sr e s e a r c hi s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yp r o j e c t s “p r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( y 1 0 4 3 5 8 ) ” t h ew h o l et h e s i sc o n t a i n ss i xc h a p t e r s f i r s t l y ，t h e l a t e s t d e v e l o p m e n t s o f p n e u m a t i ct e c h n i q u e s a n d p n e u m a t i ca c t u a t o r s a r es u m m a r i z e d t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so f c o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h e s ef i e l d sa r ee x p o u n d e d ，a n dt h em a i nc o n t e n t s o f t h i st h e s i sf i r ed e p i c t e d c h a p t e r2 i n t r o d u c e st h ef l e x i b l e p n e u m a t i ct o r s i o nj o i n t a n di t s i l e x p e r i m e n ta p p a r a t u s o ft h e s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sp n e u m a t i cc i r c u i t ， c o n t r o lc i r c u i ta n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e i nc h a p t e r3 ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f t h e f l e x i b l ep n e u m a t i ct o r s i o nj o i n ts y s t e ma r ec o n d u c t e d t h ee q u a t i o n so f t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r eo b t a i n e d i n c h a p t e r4 ，t h eo p e nl o o p m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l e x i b l e p n e u m a t i ct o r s i o nj o i n ts y s t e m i so b t a i n e db ye x p e r i m e n t s c h a p t e r 5f o c u s e so nt h e p r i n c i p l e a n d d e s i g n o fs y m m e t r i ca n d a s y m m e t r i cf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ef l e x i b l ep n e u m a t i c t o r s i o n j o i n t s y s t e m c o m b i n i n gt h em e r i t so f p i da n df u z z yc o n t r o l ，a na s y m m e t r i c f u z z yp i d c o n t r o li sa d v a n c e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m h a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ea s y m m e t r i cf u z z yp i dc o n t r o lc a r l g r e a t l yi m p r o v e t h es y s t e m sa d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s i nc h a p t e r 6 ，c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da n ds o m es u g g e s t i o n st ot h e f u t u r er e s e a r c ha r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：f l e x i b l ep n e u m a t i ct o r s i o n j o i n t ，r u b b e ra c t u a t o r ，s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n ，a s y m m e t r i cf u z z y p 1 dc o n t r o l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 鹰瞅 同期：二棚均：r 月p 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江t 业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容缟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 , t n ? e 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在f ：解密后适用本授权书。 2 、不保密匝 ( 请在以l 相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 f 1 期：2 舶购= ，月乎e l f l 州j ：砑lj ，月9 日 浙江工业大学顺士学位论文 第一章绪论 1 1 气动技术的特点和发展 气动技术是以气体为工作介质传递信号和动力以实现生产机械化和自动化 的一项技术，它以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能力传递 或信号传递，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一1 2 l 。 人类利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古，但作为气动技术 应用的雏形，大约开始于1 7 7 6 年j o h nw i l l ( i n s o n 发明的能产生1 个大气压左右 的空气压缩机。1 8 8 0 年人们第一次利用气缸做成气动刹车装置、将它成功地用 到火车地制动上。上世纪3 0 年代气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机 械的辅助动作上。进入到上世纪6 0 年代尤其是7 0 年代，随着工业机械化和自动 化的发展，气动技术才广泛应用在生产自动化的各个领域，形成现代气动技术。 气动技术作为现代实现自动化的一种技术手段，与液压系统相比，具有以下 优点【l 】： 1 气动技术以空气为工作介质，能源提供简单，无污染，无变质、更换和 补充的问题，非常适合用于空间要求严格和重量限制的苛刻场合： 2 与液压系统相比，气动系统无回收管路，可以做到体积小，成本低，操 作方便和容易保养： 3 工作环境适应性好，使用安全可靠，适用于高温、易燃、易爆、强磁场 辐射以及振动冲击的恶劣工作环境； 4 气动系统具有缓冲性。由于空气能被压缩，可以用贮气罐储存能量，当 使用多个执行元件时，相互之间的影响不大； 5 气动元件结构比较简单，造价低廉，寿命长。 当然气动系统也并不是十全十美的，与液压系统相比，也存在如下不足 1 气动系统的气动压力回路的无阻尼固有频率比液压系统低很多，气动系 统容易发生低频振荡，系统稳定性差； 2 气动系统的输出刚度比液压系统低，并且因为气动的粘性阻力系数小， 润滑性差，运动部件之间容易发生摩擦，使得配合件之间的密封困难，泄漏严重： 浙江1 = 业大学碗l 学位论文 3 气动系统在工作过程中，工作气动本身会发生状态变化，在控制截面处 可能发生“流量饱和”及发生冲击波，因此不能象液压伺服系统一样采用简单的 线性化模型作为设计手段。 自上世纪九十年代以来，自动化技术经历了令人瞩目的飞跃性发展，突出 表现在：自动化设备的应用覆盖面越来越广，自动化机器的性能和功能上都有了 显著的提高，柔性设备得到了越来越广泛的应用，要求越来越短的设备设计、制 造调试周期和设备停机维修时间。为适应这一发展趋势，国际气动行业，在不断 提高气动元器件的性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型气动器件， 主要表现在气动技术与其他科学技术的广泛结合f 2 】。 气动与机械一体化的特点是将传统系统的多种独立元件和机构经过优化和 专门化设计有机地集成为一体，成为系列的规范产品。与此同时，采用模块化设 计原理，使产品的尺寸规格覆盖面更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。 典型的产品有直线与摆动复合缸、带滑动轴承或滚珠轴承的执行驱动单元、高精 度、高刚度直线气动驱动单元，以及轻型型材结构机械手。 近1 0 年来，电子技术的突飞猛进是最令人注目的，这为气动技术的进一步 发展提供了条件。在气一电一体化方面最为成功的产品有以下三类：阀组、伺服 定位系统和比例控制元件。电气比例控制技术也得到了快速的发展，人们先后开 发出了电一气t e 例阀、比例方向阀和比例压力阀。 目前，采用气动技术的程度已成为衡量一个国家技术水平的重要标志。长期 以来，如何解决和实现气压传动中的高精度定位的问题，国内外有关专业人员进 行大量的研究工作1 3 j 。1 9 7 9 年德国a a c h e nr w 工业大学w b a c k e 教授研制出的 第一个气动伺服阀，这大大推进了气动伺服控制的发展。8 0 年代初，t e u n 等人 设计了种新的气动开关伺服机构，并详细研究了该机构的稳定性和精度。 g b e l f o r a t e 等人将机车制动技术引入气动机构，设计了一种带抱闸实现气缸在目 标位置定位，其定位精度约士0 3 r a m 。同时，意大利的g b e l f o r a t e 等人又对这种 系统进行了研究，他采用的是无密封装置气缸和f e s t o 公司的开关阀、单向节 流阀及f p c 6 0 6 微处理器等元件。理论上，这种控制能获得土o 0 3 1 4 m m 定位精度， 实际系统受间隙的影响，获得定位精度约士o 3 5 m m 。日本的则次俊郎首次成功 地将p w m 电一气开关伺服系统应用于机械手中，他获得的定位精度是土0 0 6 m m 。 浙江工业大学硕士学位论文 小山纪等人用2 个开关阀实现广义p w m 控制，获得士o ，0 2 m m 的高精度1 3 l 。我国 哈尔滨工业大学刘庆和教授领导的课题组对气动p w m 控制也进行了研究，获得 了士o 0 9 0 的气马达转角位置精度。则次俊郎第个将p c m 控制技术用于气动系 统，并成功用p c m 方式控制了英国p e n d a r 公司的3 自由度机器人，他获得的定 位精度约a ：o2 5 m m 。郑学明博士对f u z z y p i 控制气动p c m 位置系统进行了研 究获得t e o 2 5 m m 的定位精度。浙江大学的王宣银博士首次提出变增益p c m 控 制，用自校正，自学习控制算法，获得了i o 1 8 m m 的定位精度【4 j 。 在设计灵巧手的过程中，需要大量的小巧的驱动器( 一只手可能需要2 0 个或 更多) 。显然，传统的电液气驱动器只能部分满足以上的要求。这促使人们将目 光转向研究一些新的驱动技术，如：压电驱动器( p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s ) 、 形状记忆合金驱动器( s h a p em e m o r ya 1l o ya c t u a t o r ) 、聚合材料人工肌肉驱动 器( p o l y m e r i ca r t i f i c i a lm u s c l ea c t u a t o r ) 和磁致伸缩驱动器等等，这其中包 括新型气动驱动器，本课题研究的主要内容就是一种气动驱动器。在气动驱动器 中研究得最多的是n c k i b b e n 人工肌肉【4 l ，许多的气动驱动器是m c k i b b e n 人工肌肉 或其变体。 1 2 国内外气动驱动器的研究现状 1 2 1 m c k i b b e n 人工肌肉模型 人体的运动主要是靠肌肉和关节来实现的。肌肉可以认为是一种执行器，通 过肌肉的收缩带动骨关节完成特定的动作。人工肌肉就是模拟生物肌肉收缩的执 行器。美国医生m c k i b b e n 在二十世纪五六十年代研制了一种驱动假肢运动的气动 执行装置，因为在装置的外层使用了编织网，所以也被称为b r a i d e da c t u a t o r 。 其构造如图卜1 。 尼龙纤维编织网的刚度很大，在橡胶内层充入压缩气体时限制橡胶层只能产 社径向膨胀，从而使人工肌肉的直径变大，长度缩短，压缩气体放出时橡胶层径 向收缩，人工肌肉直径变小，长度回复。表1 1 是英国b gc a l d w e l l 等人进行 研究的人工肌肉伸长和收缩的组数据： 浙江t 业人学坝上学位论文 图1 - 1m c k i b b e n 型气动柔性驱动器 表1 1g c k i b b e n 人工肌肉的变形 状态 长度( r a m )直径( m m l 自然充气但无张力9 0 1 0 最大伸缩 4 81 4 2 最大伸长1 4 34 8 1 2 2 褶皱式人工肌肉 由于橡胶的变形不是完全弹性的，而且在橡胶和编织网之间以及网线之间的 摩擦，这种人工肌肉的响应表现出很大的滞后性( h y s t e r i c s ) 。这损害了肌肉的 性能不得不采用复杂的模型和控制算法。同时编织网材料的伸长也大大降低了输 输出的收缩力，这种降低可能达到6 0 9 1 。针对这一情况，f r a n kd a e r d e n 等人提 出了褶皱式的人工肌肉，绐构原理如图1 - 2 。 图12 褶皱式人肌肉 承受气压的薄壁材料在一个方向上具有很高的拉伸剐度，同时在与之垂直的 早画 塑坚三些查堂堡兰堂丝笙塞 一一 方向上具有很好的柔韧性，可以自由的拉伸。在自然状态下，薄壁材料沿轴线方 向折叠，将受气压作用后膨胀的材料隐藏折叠处。充入压缩气体后，折叠处的薄 壁材料沿着径向展开。由于展开和折叠都是在径向方向进行的，所以不会产生材 料之间摩擦。而且展开不需要很大的能量，可以减小输出力的损失。 1 2 3f m a ( f l e x i b l em i c r o a c t u a t o n f m a 其结构原理如图卜3 所示。 ( a ) 圈卜3f m a 结构原理 彻 它具有上三个独立的内部气腔，这三个气腔的压力分别由三个控制阀独立控 制。径向的纤维起到加强的作用。当三个气腔同时加相同的气压时，它保持轴线 方向，当只有个腔加压时，它向加压腔的反方向弯曲，如图1 - 3 ( b ) 。通过分别 控制三个腔的压力，可以实现空间任意方向的弯曲。它既可以充当肌肉，有可作 为关节使用。具体的实现形式很多样。s h i n i c h ih i r a i 等人“1 提出的 p n e u m a t i c g r o u pa c t u a t o r s 就是一种实现形式。日本k o i c h is u z u m o r i 等研究人 员对f m a 的制作、小型化( 驱动器直径4 m m ) 和在多自由度机器人操作手上的应用方 面做了大量工作【6 】。 1 24 气动旋转驱动器 同本冈l i l 大学的t 。s h i r on o r t s u g u 等开发了一种旋转型气动柔性驱动器 甲黼 浙江工业大学坝七学位论文 ( p n e u m a t i cr o t a r ys o f ta c t u a t o r ) ，其结构如图卜4 所示。 腻滴名 一矗蓟豳耐。 ( 曲径向、垂勖向冉咖强手维( b ) 脯状态( c ) 充欲态 图1 - 4 旋转型气动柔性驱动器 这种旋转型驱动器由两个边板和中间的可伸缩部分组成，如图1 4 0 ) 所示。 这些组成部分皆由硅橡胶制成，其中可伸缩部分厚度为0 5 m m ，在其内部沿径向 设有加强纤维；两侧的边板厚度为3 m m 状不变形，在一侧的边板上连接通气管 在驱动器充气运动过程中，可以保持原 以便控制驱动器内部气体的进出，如图 卜4 ( b ) 所示。当向驱动器内部充入压缩气体时，边板由于厚度较大不会变形，加 强纤维的作用使得可伸缩部分不会发生径向变形，所以整个驱动器会围绕其中心 轴线发生旋转运动，如图1 - 4 ( c ) 所示。 t o s h i r on o r i t s u g u 等人详细研究了旋转型气动柔性驱动器的各种特性，如 压力一输出转矩关系、静态特性和动态特性。由于硅橡胶的粘弹性和嵌入在可伸 缩部分中加强纤维的作用，驱动器在充气过程中存在一定的滞后，如在内部气体 压力达至u 5 k p a 之前，驱动器几乎没有发生旋转：相应的，驱动器对于给定的旋转 角度的响应类似于阶滞后系统。 1 2 、5 气动弯管驱动器 h i d e y u k it s u k a g o s h i 等人提出了种新型的驱动器模型：弯管式驱动器 ( w o u n dt u b ea c t u a t o r ) “，其结构原理如图l - 5 所示。 每个弯管都有受限制和不受限制的两部分组成，这种组成是周期性。受限制 的部分占2 3 ，不受限制的部分占剩下的；3 。受限制的部分不膨胀，不受限制的 部分膨胀。如图卜5 ，当只有管l 冲入压力空气时，在整个圆周上只有1 2 0 度范围 内的弯管膨胀。从而使整个单元发生弯曲变形。通过控制三个弯管的气压可以实 现在一定角度内的自由弯曲。实验表明在相同的占空比( 弹性气管占用的空间与 烈下的空间之比) 相同的情况下，要达到相同的弯曲程度，风箱驱动器( b e jj 浙江工业大学硕士学位论支 a c t u a t o r 一种f m a ) 比弯管驱动器“o u n d a c t u a t o r ) 需要更大的弯矩。 研究人员将多个这样的驱动器通过骨 架串联起来，对各级驱动器分别控制，设 计出用于在废墟中救生的“象鼻子”软管1 7 l 通过在气管之外的剩余空间传送救援物品 ( 空气、水等) 。 另外，加拿大k i n e t i es c i e n c e s 公司 制造了一种基于风箱式驱动器【7 】的柔性操 作手，具有7 个自由度( 加上底座的旋转运 动) ，配合窿眼系统，动作十分灵巧，最大 伸长可达收缩时的5 倍，该操作手己实现商 品化。比利时和英国的有关学者也对气动 图1 5 弯管式驱动器及风箱式驱动器 驱动器、动关节的研究不多气动人工肌肉、气动人工手进行了有关研究。 1 2 6 气动柔性驱动器 目前国内高校及科研机构在气动人工肌 肉领域的研究主要是针对m c k i b b e n 型p m a ，讨 论其建模、控制及在相关领域的应用问题。 近年来，我们在气动执行器以及机器人多 指灵巧手方面进行了大量的研究工作，提出了 一种新型的气动柔性驱动器，并以f p a 为基础 设计了几种气动柔性关节。 气动柔性驱动器f p a 的结构如图卜6 所 示。该f p a 主要部分是弹性橡胶管，橡胶管内 嵌有螺旋缠绕的约束钢丝，螺旋钢丝同时具有 加强筋的作用；橡胶管两端由端盖、紧圆圈和 强力胶密封；在一侧的端盖上连接管接头，压 缩气体可以由此进出驱动器内部。当向f p a 内 端盖；2 螺旋钢丝；3 橡胶管 4 紧固圈；5 管接头 f a 、f p a 结构模犁 ( b ) f p a 实物照片 图i - 6 f p a 结构及实物 浙江1 = 业大学硕士学位论文 部充入压缩气体时，由于约束铜丝的 作用，弹性橡胶管只能沿轴向膨胀变 形，整个驱动器表现为轴向伸长：释 置 放f p a 内部的压缩气体，由于橡胶管兽 的弹性作用，驱动器恢复到原始状态。 对f p a 进行了实验研究，在无负 载的情况下，测得的压力一伸长量关 系近似为线性关系，如图1 7 所示。 由此我们可以近似认为f p a 的弹性模 量为常量，由公式： 噬口 * 日 图l - 7f p a 内部压力与伸长量关系曲线 e = 揣= 丽( p - p m ) r 2 = 黼菇 m ， 可计算得到f p a 的弹性模量值。 其中： 尸：f p a 内部压缩气体压力值；：大气压力值；r ：f p a 橡胶管的半径： d ：f p a 橡胶管壁厚；舭：f p a 橡胶管的伸长量；l ：f p a 橡胶管的长度 庐a l 。 本文的气动柔性扭转关节就是采用了上述结构的气动柔性驱动器【1 1 。 1 、3 本课题的研究意义 本论文在浙江省自然科学基金项目( 项目编号：y 1 0 4 3 5 8 ) “新型气动柔性关 节的基础研究”的研究背景下，进行了气动柔性扭转关节的研究与应用。气动柔 性扭转关节是多指气动人工手的一个重要组成部分，是多手指气动人工手的研究 基础。作为种新型的气动驱动器，气动柔性扭转关节有很多优点：可直接驱动， 不需要减速装置和传动装置：清洁；结构简单；特别是气动柔性驱动器无摩擦， 运动平滑；成本低；动作灵活，易于控制，功率重量比大。气动柔性扭转关节可 以模拟人的手腕扭转过程，用于人工手的设计之中，基本上可以满足多指气动人 工手扭转关节的要求。这种人工手在工业、农业生产中将发挥很大的作用。本文 浙江工业大学硕士学位论文 建立了气动柔性扭转关节伺服系统的硬件和软件平台，通过系统辨识的方法，得 到了气动柔性扭转关节的数学模型，并提出了几种控制策略，这些工作将为设计 新型的灵巧手打下坚实的基础。 1 4 本课题的研究内容 本课题作为多指气动人工手研究的基础，研究的主要内容是气动柔性扭转关 节结构的设计和控制系统设计，实现对柔性气动扭转关节运动的有效控制。这些 工作将为气动柔性扭转关节的实际应用奠定坚实的基础。 本文的研究内容如下： 1 提出气动柔性扭转关节伺服系统设计方案，包括气动柔性扭转关节的 结构原理，气动柔性扭转关节的气路和硬件、软件平台。 2 讨论气动柔性扭转关节执行系统的数学模型，建立了气动柔性扭转关节 执行系统动态特性方程。 3 对气动柔性扭转关节执行系统作系统辨识，辨识出系统的开环数 学模型。 4 对气动柔性扭转关节采用纯模糊控制、非对称模糊控制、模糊p i d 混台 控制等算法，通过实验结果，比较几种控制算法的优缺点。 由于加工工艺的原因，论文中的气动柔性扭转关节的运动只限于小变形( 弯 曲角在2 5 。以内) 。进一步的研究可以在优化结构、完善加工工艺、改善检测系统、 优化控制算法的基础上对关节的大变形进行研究。 1 5 本课题研究内容对后续研究的贡献 本研究中的主要贡献在于初步设计制作了气动柔性扭转关节，建立了气动柔 性扭转关节伺服控制系统平台和伺服控制系统的动态特性数学模型，并进行了系 统辨识，最后提出了一些控制算法，从理论和实验的角度论证了气动柔性扭转关 节的可行性。 本课题将为多手指气动人工手的设计和控制奠定基础。 9 浙讧t 业火学顾士学位论文 第二章气动柔性扭转关节执行系统设计方案 2 i 气动柔性扭转关节的工作原理 气动柔性扭转关节采用了橡胶驱动器1 作为执行元件。橡胶驱动器的结构原理如图 2 1 所示。执行部位是橡胶弹性圆柱壳，它是 经过特殊加工工艺制造而成的，内部缠有密集 的弹簧，用以限制其的径向变形。圆柱壳的一 匿2 1 气动橡胶驱动器 端盖是封闭的，另一端盖开一个通气孔，并用 金属片连接端盖的两端。当向驱动器充入一定压强的气体时，橡胶弹性圆柱壳的 外面一层由于受到气体压力而拉伸变长，在一定的变形约束下，整个驱动器会发 生弯曲，弯曲角度随着内部气压的增大而增大。因此，可以通过控制橡胶弹性圆 柱壳内的气压而达到控制驱动器弯曲角度的目的。 图2 2 气动柔性子f f 转关节的结构原理 气动柔性扭转关节的结构原理如图2 2 所示1 “。气动柔性扭转关节由气动柔 性驱动器j 、金属片2 、端盖3 和4 、固定盘5 、中轴6 和圆形转盘7 所组成，气 塑垩三些查堂塑兰焦丝兰一一 i 转盘2 气动柔性驱动器3 轴承4 固定盘 ( a ) 气动柔性扭转关节模型图( b ) 气动柔性扭转关节实物图 图2 - 3 气动柔性扭转关节 动柔性驱动器1 的左右两端分别与端盖3 、4 相连接，气动柔性驱动器l 上部设 置金属片2 ，该金属片2 分别与左右两端的端盖3 、4 相连接，端盖3 有一通孔 和外界大气连通，气动柔性驱动器l 与端盖4 相连的一端是封闭的，两个大小相 同的气动柔性驱动器1 呈轴对称左右安置在固定盘5 上，固定盘5 上装有中轴6 ， 中轴6 上端固定有圆形转盘7 ，气动柔性驱动器1 与端盖3 相连的端同时和固 定盘5 相连，同时气动柔性驱动器1 与端盖4 相连的一端同时和圆形转盘7 相连， 圆形转盘7 和固定轴一起可以围绕着中轴6 ，相对于固定盘5 作自由转动。 图2 - 3 是气动柔性扭转关节的模型图和实物图。 2 2 流量型比例控制系统与压力型比例控制系统的特点分析 气动位置伺服系统有电一气开关伺服系统和电一气比例伺服系统两类【5 1 1 3 2 1 。其中，电一气比n 伺服系统占有主要地位。此类系统的电气信号转换器是 电一气比例伺服阀，通过调节作用在比例电磁铁上的电压或电流大小，即可实 现阀出口流量或压力的连续控制，从而可以实现气动执行机构的高精度位置、速 度或力的伺服控制。此类系统的构成示意图如图2 4 所示。 电一气比例伺服阀目前主要有两大类，一类是比例控制阀的出口流量，即 流量型电磁比例阀，如s m c 公司的v e f 系列产品，另一类是比例控制阀口的出口压 力，女, s m c 公司的i t v 0 0 0 0 系列阀，这两种比例阀分别适用于不同的工况。相应的 电一气比例伺服控制方式根据电气转换元件的不同类型也可以分为两种：流量 浙江工业大学颂_ 上学位论文 图2 4 气动位置伺服系统原理图 型电一气比例伺服控制和压力型电一气比例伺服控制。由于电一气比例或伺服 流量阀与压力阀具有不同的结构，即电一气比例或伺服流量阀的阀芯位置是由比 例电磁铁的电磁力与作用在阀芯上的弹簧力所决定的；而压力阀的阀芯位置是由 比例电磁铁的电磁力与阀出口压力反馈到阀芯上的作用力决定的，因此，这两种 控制方式对气动位置伺服系统控制性能的影响也是不同的。 气动扭转关节伺服系统属于气动位置伺服控制系统，下面针对气动位置伺服 控制系统，分析上述两种控制方式各自的特点。 2 2 1 流量型比例控制系统 在流量型位置比例控制系统中，通过流量型比例阀对气动执行机构的流量进 行控制，以达到位置控制的目的。气动系统位置的确定与质量流量及两腔压力有 关【3 8 】。对流量进行控制时，当设定某一个行程后，必须等待流量达到一定程度并 建立起气腔压力的情况下，气动执行机构才能运动。因为气体本身存在着很强的 可压缩性和储能特性，气腔压力的建立需要一定的时间，而一旦建立起来会迅速 膨胀，为此整个位置控制系统的刚度差，动态特性不理想。当气动执行机构处于 停止状态时，由于空气的可压缩性和阀中位特性的影响( 一般来讲，电一气比例 或伺服流量阀中位特性不对称) ，我们并不能精确获得相应气腔的平衡压力，所 以还导致气动执行机构在期望位置处存在较大的稳态误差或系统过渡过程出现 不稳定等问题。 22 2 压力型比例控制系统 从本质上讲，气动驱动系统就是一个力控制系统，气动柔性扭转关节饲服系 2 浙江工业大学硕士学位论文 统中扭转关节的平衡位置就是由相应的气体压力所决定的。以压力型比例阀为控 制器件的位置比例控制系统中，压力反馈可以直接引入阀内可以提高系统的稳 态精度，改善系统的动态性能，系统的刚性大大提高【4 。由于气腔的压力被直接 控制，所以没有必要对控制阀和气腔处的泄漏有很高要求，这对降低控制阎的加 工精度非常有利，并降低了气动位置伺服系统的成本。在闭环控制回路中加上位 置反馈，使得以力的方式控制气动位置伺服系统有良好的控制效果。 2 3 气动柔性扭转关节执行系统的硬件平台 为了获得良好的气动柔性扭转关节执行系统的控制性能并简化结构，本文采 用压力型位置比例控制系统，以电一气压力比例伺服阀作为气动柔性扭转关节 橡胶驱动器两腔的压力控制元件，可以很方便地选择工作点的压力。系统不仅可 以实现气动柔性扭转关节的位置控制，而且也很容易实现力的控制。此外，由于 电一气压力比例伺服阀内部带有反馈，这不仅对提商系统的刚度和动态特性非 常有效，改善系统阻尼特性，还对提高系统的频宽和重复定位精度都是有益处的。 因此，在实验方案中采用高性能的电一气比例压力阀组成气动柔性扭转关节伺服 系统是提高系统控制性能的有效途径。 图2 5 气动柔性扣转关节执行系统结构图 本文所研究的气动柔性扭转关节伺服系统如图2 5 所示，系统主要是由气源 一空气压缩机、被控对象气动柔性扭转关节、检测部分n s r b 型角位移变送器、 塑坚三些查兰翌! 茎丝丝兰一一 电气转换部分一压力比例阀和控制部分： 控机及多功能数据采集卡等。 23 1 气路回路的构成及原理 气路回路主要是由气源、压力比例阀及各种气管等组成。 ( ! ) 气源 气源是气压传动系统的动力源，是由空气压缩机产生的压缩空气。为保证气 动系统的正常工作，必须对压缩空气进行降温、净化、减压、稳压及提供油雾等 一系列处理，因此还必须设置压缩空气净化装置，包括冷却器、油水分离器和贮 气罐等。 本实验中气源输出的稳定压力设置在o 6 m p a ，这一值的选取是根据提高系 统的气源压力可以减弱气动柔性扭转关节的粘滑振荡及在系统中各部件正常工 作正常工作压力范围选定的。压缩空气从气源连通到压力比例阎后进入到气动柔 性扭转关节的橡胶驱动器。 ( 2 ) 压力比例阎 在驱动回路中电气转换部分为s m c 公司的i t v 0 0 0 5 系列压力比例阀，其性 能参数如表2 一】所示： 表2 - 1s m ci t v 0 0 0 5 系列压力比例阀参数表 型号 仃p ，0 0 0 5 供电电源 2 4 v d c o 1 2 t 供气压力 0 ，1 1 0 m p a 输入信号 o 1 0 v 调节范围0 0 0 1 , - 0 9 m p a输出信号1 5 v 晟大流量6 l r a i n ( a n r )线性度l i t v 0 0 0 5 系列压力比例阀内部集成了压力传感器，压力传感器的输出具有很 高的线性度，实验中视为线性来处理。气动柔性扭转关节的扭转角位移就是通过 改变压力比例阀上的电压信号来调节的。 2 ，3 2 控制回路的构成及原理 控制回路的核心部分为一台工控机( j p c ) ，另外还有模拟量输入输出、定 时控制、检测部分以及可编程增益放大器( p g a ) 等。在每个采样控制周期，计 算机将采集到的角位移变送器的实时信号与期望值相比较，应用适当的控制算法 计算得到控制信号，经输出驱动接口电路控制压力比例阀的电压信号，从而改变 气动柔性扭转关节橡胶驱动器内的气压，驱动扭转关节达到期望的角位移。 ( 1 ) 控制器 控制器的功能主要由工控机来完成，通过采集数据、分析和运算数据及输出 控制信号完成整个控制功能。工业控制计算机( i n d u s t r i a lc o m p u t e r ) 有抗磁暴， 抗干扰，运行稳定，能在恶劣的条件下工作等优点。 ( 2 ) 数据采集系统1 2 0 1 【2 1 1 1 2 2 1 【2 3 1 数据采集系统是计算机与外界联系必不可少的设备。在气动柔性扭转关节执 行系统中，需要的资源如表2 2 所示： 表2 2 伺服控制系统资源需求表 资源名称用途 d a 转换通道控制压力比例阀的输出 a d 转换通道测量角位移变送器输出的电压信号 可编程增益放大器小扭转角时，放大角位移变送器输出电压信号 可编程定时器计数器确定系统采样频率 下 根据上述要求，设计了块基于p c 总线的多功能数据采集卡，其详细参数如 a ) 模拟量输入部分 转换芯片：a d s 7 7 4 ，逐次逼近型a d 转换器 转换精度：1 2 位 输入范围：板卡上带有可编程放大器a d 5 2 6 ，因此根据a d s 7 7 4 舰u 量范围 板卡的输入范围可编程 转换时间：8 us e c a d 触发方式：软件触发、定时器触发、外部触发 a d 数据传输方式：查询方式、中断方式、d m a 方式 采样速度：最大到】o o k h z 浙江j 业大学碗f 一学位沧史 b ) c ) 模拟量输入部分 转换芯片：a d 7 5 4 1 ，乘法型d a 转换器 转换精度：1 2 位 转换通道：2 通道双缓冲模拟量输出 输出范围：采用内部参考电压时，输出范围为o 5 v 或o i o v ；采用外部 参考电压时，输出范围可以最大设置为0 i o v 或一l o v o v 建立时间：8us e c 线性度：1 2 l s b 可编程定时器计数器 定时器芯片：o k im 8 2 c 5 4 a d 转换定时触发：m 8 2 c 5 4 的两个1 6 位定时器级联成3 2 位定时器，可以编 程a d 定时触发的频率位0 0 0 0 4 6 2 0 0 k h z 定时器：m 8 2 c 5 4 的一个1 6 定时器用来精确定时，输入时钟频率为2 m z ( 3 ) 角位移变送器 角位移变送器作为检测装置是构成气动柔性 扭转关节伺服控制闭环系统的基础。本课题实验中 采用上海天沐自动化仪表有限公司的n s r b 型角位 移变送器。这类角位移变送器是基于差动变压器原 理，图2 6 是角位移变送器实物图，其主要性能参 图2 - 6r s r b 型角位移变送器 数如表2 3 所示。 表2 3n s r b 删角位移变送器性能参数 量程范围 0 9 0 。 电源电压 2 4 v d c 综合精度 o 2 工作温度 1 0 8 0 1 0 04 c 分辨率无极限( 理论)温度系数 o 0 5 f s 输出信号 o 5 v 启动力矩小于3 0 m n m 2 4 气动柔性扭转关节执行系统软件开发 从气动柔性扭转关节执行系统的设计方案中可以看出，该执行系统是一个典 浙江工业大学硕十学位论文 型的计算机控制系统。在一个计算机控制系统中，数据的采集、转换、输出，控 制算法的实现，与用户操作的响应接口等等相关的方方面面甚至包括定时、纠错 都要由计算机完成，控制计算机在系统中担任着最繁重的控制任务。 控制计算机通过运行在自身上程序完成这些工作，一个采样周期内控制动作 的实现需要系统的各个部分相互配合，各任务之间良好的协调都要由程序来实 现，由此可见控制程序的重要性，在实时控制系统中这些任务变得尤其困难，所 以计算机控制中控制程序的好坏是系统性能的关键。 本系统中的应用主程序是用户实现控制方案的通道，一切与外界的信息交 换，内部的任务触发和协调等都是由它来实现，控制程序与应用程序配合完成控 制算法，是整个系统的核心。 在课题开发的过程中，程序的开发是主要工作，将详细介绍在这方面的做的 工作和应用程序功能实现的原理与方案。 24 1 程序的实时性保障 在实时计算机控制系统中，时间是最宝贵的资源，采样和控制都要求要有尽 量高的时间精度，因此控制程序首先要有足够高的时间精度。本节将详细叙述有 关实时性的要求和程序实现【1 4 】。 2 4 1 ，1 基于w i n d o w s 的实时控制 1 w i n d o w s 的消息驱动机制 w i n d o w s 操作系统是3 2 位抢占式的多用户多任务操作系统，具有友好的图形 用户界面( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，它们允许我们可以使用多方的多媒体服 务，几乎无限制的内存资源，多任务并发机制，它们使我们能够更为方便地使用 计算机。因此，利用w i n d o w s 下的可视化编程技术，本系统能够比较容易地实现 实时控制程序的友好的界面，与用户进行交互，接受用户输入的数据并实现控制 过程中的控制信号与响应曲线的实时图形显示。 尽管w i n d o w s 系统在图形用户界面( g u i ) 以及可视化方面有着十分突出的表 现，但对于实时控制系统和实时数据采集、处理系统等实时系统来说，w i n d o w s 系统不是一个很好的系统，它也不是开发实时系统的理想的平台。这是由w i n d o w s 浙江工业大学硕士学位论义 系统的运行和实现机制所决定的。 消息循环是w i n d o w s 应用程序的主要特征之一，应用程序通过消息循环接收 输入消息。在w i n d o w s 应用程序中，所有键盘、鼠标和定时器输入都由w i n d o w s 系统截取，w i n d o w s 采用两种消息队列处理这些输入消息：它首先收集所有的输 入消息到系统消息队列，然后将这些消息发送到合适的应用程序消息队列。应用 程序通过消息循环接收属于它的消息，并经过w i n d o w s 将他们发送到相应的窗口 函数。 按照这种消息驱动机制，各个应用程序在处理完一个消息之前，不可能进行 其他消息的处理，这种消息处理机制着重于系统与用户的交互性和多用户多任 务，对于实时系统所要求的实时性的支持有限。 2 w i n d o w s 的多任务并发机制 w i n d o w s 是一个多任务操作系统，它可以同时运行多个应用程序，用户可以 方便地在各个程序间切换而互不影响，系统对各个应用程序按优先级进行资源分 配，将c p u 时间按时间片分配给不同的应用程序，同时运行的应用程序必须共享 所有的资源，包括输入输出设备、内存、显示器以及c p u 。因此，w i n d o w s 应用 程序不能独占共享资源，如c p u 等，以使其他应用程序也有足够的运行机会，这 些共享资源