工业机器人外文翻译.docx

对移动机械臂在其环境中使用有效质量和阻尼控制所产生的脉冲接触力进行控制近年来，移动机械臂被广泛应用在人类生活环境中所存在的各种服务机器人。在这种人口众多的环境中，安全是最重要的因素。确实，安全人机交互是机器人研究中的一大挑战。本文提出了一种通过利用优化的机械惯性和以阻尼为基础的运动控制来减少移动机械臂及其工作平台下所产生的脉冲接触力的新方法。为了从无效的空间运动中找到最佳的配置，在虑及最低有效质量和关节限制约束的情况下提出了合并后的潜在功能方法。这项研究的结果表明，惯性的优化与阻尼控制器明显降低了碰撞时的脉动力和碰撞后的接触力。1.介绍移动机械臂由一个移动基座和一个自动的机械手组成。相对于固定式机械手，移动式机械手最大的优势是它有灵活的工作区。安置在移动基座上的机械手的机械配置也生成了一个使操作更敏捷的额外有利系统。尽管这些特征使很多的应用程序能在其上运行，但基于其本身的构造，移动机械臂在控制方面仍然面临着挑战。首先，移动机械臂的额外自由度使其操纵控制更加复杂化。其次，移动机械臂的所有运动情况远比固定式的复杂得多。第三，许多应用涉及机器人与环境的动态交互。至此，在人类居住的环境中移动机械臂给科学家们带来了最前沿的安全问题。一直以来，科学家们对于移动控制有着大量的研究。例如，山本提出用运动学活动力学的可操作性来解决移动机械臂在运动规划和分析过程中产生的冗余部分。哈提卜介绍了在控制机械手多余位置并提供关节限制约束的潜在领域。他也推荐利用移动机械臂在操作空间上的固有动力学特点的文章。另外，他分析了在其宏观结构中减少了的冗余机械中的惯性影响。在其他的关于移动机械臂的研究中，零点弯矩作为一个移动机械臂系统执行高负载转移任务的量度被提了出来。还有一些关于移动机械臂在来自工作环境中未知的外部力量作用下的稳定运动控制的上面所提到的许多研究研究都采纳了移动机械臂中的传统固定机制的理念。有几个在移动机械臂控制方面的问题需要考虑：首先，移动机械臂的移动基座部分要比上部的机械手更重，这将导致移动基座部分活动时的反应要比机械更慢。整体移动机械臂与宏观机械手所做运动在某种意义上有点相似，宏观部分远比微观部分要重。其次，移动的基座在地面做平移或旋转运动时，可执行的范围也得到了进一步的扩大。而终端的位置和方向是固定的，这就使得各种多余的空间运动可能仅仅是移动基座的运动得来的。第三，移动控制的精确度可能与人们的操作以及它的运行环境的接触任务有关。为了使移动机械臂服务于人类现居住的环境，它在保证人类安全方面应该是要绝对符合条件的。通过减少人们与移动机械臂的及接触力理可以提高人类的安全。林（参考文献10）提出：通过运动和阻抗控制来减少多余的机械臂影响力。Padois（参考文献11）为自由和约束之间的平稳过渡接触采用了一种速度/力量混合控制法，这对于许多移动机械臂完成其任务来说是及其重要的。在他们的另外一项研究中，建议采用一种典型的框架结构来对有轮子的移动机械臂进行反应控制。这种框架结构非常适合在操纵空间中对任务中的自由和约束进行动态排序。然而，一旦发生碰撞，机械臂与人之间所受脉冲接触力的大小取决于移动机械臂的有效惯性。另一个更有效减少碰撞力并对安全来说至关重要的方法是直接控制有效惯性。这项研究的目的是减少移动机械臂的末端与周围环境（包括人类）碰撞时所产生的脉冲接触力。为了减少直接碰撞时的碰撞力，更小的惯性性能是有利的。机械臂的有效惯性能被专门用于阻抗控制与力反馈，通过合理选择获得的反馈力，能削减有效惯性和碰撞时产生的碰撞力。然而在实际应用中，因为一些促动器带宽限制传感器的相互作用方式、扭矩性能等这样的稳定性问题的存在，所以通过反馈力控制调制有效惯性是难以实现的。在这项研究中，我们利用移动基座产生的无效的空间运动来获得宽范围的惯性特性。通过使用在过去工作中运用的优化技术能减少操作空间中所产生的实际惯性。被优化了的实际惯性依次减少了工作过程中由于意外碰撞所产生的脉冲接触力。碰撞后，移动机械臂的阻抗在调节控制力时起到了重要的作用。为了保证碰撞后具有预定数值的接触力，一个基于速度测量为基础的阻尼（适应性调节）控制器发挥了作用。提出的控制系统的有效性则通过模拟和实验来进行测试。2.移动操纵器的惯性最优化大多数移动操纵器的机械结构由移动基站和适当的有效载荷、灵巧机敏的操纵器组成。这个结构允许移动操纵器用它多余的自由度去运行大量的任务。在很多运行中，移动操纵器的移动基站在平坦地面上移动。配置了全方位车轮的 移动基站可以做以下模型：在平面上，沿着两个直角棱镜接缝处和绕着一个向外卷的直角接缝在二维平面上转动。在这项研究中，我们用了日本科技先进协会的M3移动遥控装置。在M3移动遥控装置中，7个自由度的三菱PA10机械手被安置在里面。在配置了3个全方位车轮的移动基站（如图1）中，移动基站的每一个车轮都分别配置有两个发动机来操纵和指导。所有的控制装置包括CPU、分界板、伺服传动器和电池都被植入移动基站。表2表明了M3移动遥控装置的运动型模型。正如表中所示，M3移动遥控装置的总自由度是10，操纵器有7个向外卷的接缝，移动基站有2个棱镜接缝和1个向外卷的接缝，Denarit-Hartenbery的参数和M3移动机械臂的惯量特性一列在表格1中。2.1移动操纵器的有效质量对于一个移动操纵器来说，接缝处的惯量特性用动能矩阵A（q）描述，一个关于接缝变量q的矩阵函数，当动态响应或在终止受动器的冲击压力引起注意时，惯量特性能够在终止受动器被估算，在笛卡尔空间的动能矩阵A（q）被描述的特性。动能矩阵A（q）是从运用雅克比行列式矩阵J（q）的动能矩阵中计算得出的：(1)Aq=JqA-1qJTq-1终止受动器在任意u方向上的感知惯量被如下有效质量Mu（q）所描述：(2)Muq=1uTA-1qu有效质量描绘了在终止受动器处的操纵器的方向惯量特性，和M3移动遥控装置一样，有效质量能够用一个多余的操纵器通过改变操纵器的最优化来操纵有效质量，甚至终止受动器的位置和方向被固定在笛卡尔空间，这个特征允许我们控制终止受动器和终止受动器给定的位置和方向的环境之间的冲击压力，如果有效质量减少，冲撞下的冲击压力也能减少，因为这个压力主要依靠惯量和速度的不同。2.2有效质量通过无效空间运动的改变对于给定的终止受动器的状态，一个多余的操纵器的最优化能够通过产生无效空间运动来被改变。以下等式描述了一个多余操纵器的反转运动学：(3)q=JqV+I-JqJq这个等式中，J#(q)是雅克比行列式矩阵J（q）的伪逆算子， 是任意接缝处的运动矩阵I-JqJq定义了与J#（q）关联的无效空间，向量I-JqJq反应了终止受动器的状态的零变化，通过把终止受动器的速度置零，终止受动器的状态被固定在笛卡尔空间。对于多余移动操纵器来说，在一个给定的状态下，可以通过改变产生移动基站的无效空间运动来改变有效质量Mu（q），假设M3移动遥控装置，通过改变在表1表2坐标系统上的X方向=k,o,o,0T或Y方向=0,k,o,0T来移动移动基站可以产生无效空间运动，表3表明了当移动基站的位置在XY平面改变时，有效质量在X(Mxq)方向、Y(Myq)方向和Z(Mzq)方向也改变。当笛卡尔空间的动能矩阵是一个关于接缝变量高Aq度耦合函数有效质量是一个对于给定范围的无效空间运动X和Y的简单函数。2.3有效惯量的最小化(4)从在无效空间运动给定的范围内，M3移动遥控装置的惯量特性图中，我们容易发现，通过用最佳技术在一个特殊方向将有效质量最小化的结构，可以在相同的约束下用公式表示成最优化问题。在最优化问题里，被最小化的目标函数，是一个在u方向的有效质量的标量函数，约束函数是前面移动操纵器的运动学方程式g（q）-X=0。X是终止受动器给定的参数，因此，最小化Mu（q）使其服从上述方程式(5) 相似地最大化问题变成最大化Mu（q）使其服从上述方程式对于一个给定的终止受动器的状态，用MATLAB提供的约束最优化函数可以获得的最小化（最大化）的有效质量的结构的接缝处角度矢量，当M3移动操纵器的终止受动器一1.32米的高度和地面保持水平，可以计算出最小和最大的有效质量为11.75kg和15.28kg.移动操纵器可以从当前的结构沿着用方程式3计算出来 的接缝处轨线移动到最小惯量结构，解决运动速率控制。方程式3的无效空间向量通常被写成目标函数的倾斜度来达到最小化，在这项研究中，目标函数是被选泽用来从移动操纵器移动到最小惯量结构，目标函数有如下电势能形式：(6)Vm=iNqi-qmi2式中，是在最小惯量机构下，N是接缝的个数，N是第i个接缝处的电流角度，qi是第i个接缝的接缝角。因此，无效空间角度可以写成：(7)=-kVmK是一个正数。2.4结合势函数法表征有效惯量的优化尽管使用约束的优化技术能够找出最小的惯量配置，但是有些最小惯性组态处于行程限制之外。为了避免这种情况，发电机的空运动轨道中的关节限制应被考虑在内。在这项研究中，我们提议一种新的势函数，这个函数能将关节行程限制以及最小惯量组态考虑在内。在势函数的框架中，所提议的方法不仅仅只考虑一个平衡质量因素的限制。而这些限制的产生是依据最小动量组态关节限制的上下之间中值的偏差而定。拟议的势函数是有如下两个势函数组成(8)V*=mVm+nVn 在这里(9)Vm=i=1Nqi-qmi2(10)Vn=iNqi-qmi2其中m和n是两个势函数的加权因子是有第i个接头的上限和下限决定的中联角。在组合势函数中，加权因子m和n为m= Vm/V*和n=Vn / V*，是移动到最小惯性配置与避免关节限制处于平衡状态。当M3移动机械臂的最终操纵器保持与水平地面距离1.32米的距离时，结合势函数会产生13.66Kg有效质量的优化效果。移动机械臂的运动和相关运动的有效质量的变化可以从三个不同势函数Vm, Vn与V*的可逆运动学方程中计算得到。图四（a）、（b）和（c）分别说明了利用势函数Vm, Vn和V*求得的组态和有效质量的变化。以势函数V*（联合函数）求得的最终有效质量比势函数Vm（最小惯量组态）大，在避免关节行程限制的条件下将移动机械臂移至一个较小惯量组态时，联合函数能够满足多个约束，但会产生一个均匀受损的组态。3.优化有效惯量的碰撞模拟正如上一节所求，移动机械臂的有效质量的巨大变化取决于机械臂的配置，减少有效惯量则机械手和环境碰撞产生的脉冲接触力也会减小因为冲击历史惯性和速度差的函数。在本节中我们进行了碰撞模拟来测试在减少碰撞时的冲击力时优化管理量的有效性。使用运动学和惯性数据在MSC、ADAMS2005（图5）软件中对M3移动机械臂进行了模拟。动态模型用来模拟移动机械臂的终端效应器与环境之间的一次意外碰撞。碰撞后机械臂可能发生反弹，同时引起一系列小碰撞。为了使碰撞后的接触力产生规律性，在MATLAB/SIMULINK(MATHWORKS公司设计)做出的动态模型上组装了一个阻尼可调控制器。机械手的移动和移动基座都是有速度控制器控制。阻尼测绘控制器非常适合调节由恒定阻尼矩阵产生的速率中的感应力反应出的接触力。阻尼参数设置为104牛秒/米。阻尼控制有图6中的表格所示。图7表示了与最大、最小以及优化有效质量相对应的机械手配置。最大和最小惯量配置由方程（4）和（5）计算得到。优化惯量配置是将关节限制考虑在内而计算得到。优化已在2.4节使用结合势函数中描述。碰撞模拟在三维配置的动力模型下进行，在这个模拟中，M3移动机械臂持续以0.1米/秒的速度靠近并且与无质量的弹簧墙碰撞。墙的硬度被设置为40kN/m。图8和图9分别比较了碰撞时三维结构中的力和运动轨迹。正如图8中能看到得，最佳惯性力的最大接触力比最大惯性力的最大接触力要小，但比最小惯性力的要大。仅仅减少惯性的特性就能减少冲力，因为惯性的特性是脉冲接触力中的一个突出因素，尽管还有许多其他因素，比如摩擦力和连接关节处的传送，然而在脉冲接触接触力为20N左右时 三维结构中稳定结构的反应几乎是一样的，这就暗示了在碰撞后使用阻尼控制器的情况下末端发生器的惯性产生的影响很小。碰撞时三维结构中的运动轨迹几乎是一样的（图9），这表明了有效的惯性对碰撞时末端的运动的影响很小。4 、碰撞实验为了测试该方法的有效性，碰撞实验采用M3机器人。图10显示的是M3的移动机械臂的控制结构实验。控制软件在实时操作系统中的操作是通过以太网进行的。在相同的实验条件下进行碰撞模拟实验。在试验中，M3机器人以一个恒定的速度（0.1米/秒）走进聚苯乙烯泡沫墙并与墙相撞。墙的刚度约为40千牛/米。在和墙碰撞之前，M3机器人的机械臂部分始终保持原配置。一经碰撞，运动中的机器人的移动部分将用来调节阻尼控制力，就像3中的仿真模型中叙述的一样。在模拟实验中调节阻尼参数为104牛秒/米。对实验的两种配置进行优化。移动机械臂的联合限制是通过加强移动基的尺寸和形状实现的。图11显示了两种配置。在碰撞试验中，使用手腕式JR3六轴力/力矩传感器（JR3公司）测量接触力。使用上面描述的动态模型，我们在最终效应器和理想状态的无质量墙之间进行了计算机模拟碰撞实验。在实验中，在相同条件下对两个配置进行模拟碰撞实验。模拟实验中，认为碰撞是不发生旋转运动的。将实验和模拟实验比较接触力和最终位移。图12显示，比较在碰撞实验和模拟实验中的力的轨迹，实线代表实验数据，虚线表示模拟数据。从这些数字可以看出，实验和模拟的力量曲线很大程度上是一致的。为了达到最大的惯性，峰值几乎是同时在轨迹上达到180牛左右（图12（a）。最大惯性不同之处是，试验和模拟轨迹有一些不同的优化惯性。模拟实验的峰值轨迹大约30%高于实验的峰值轨迹（图12（b）。对于两个配置，实验轨迹显示，在达到稳定状态之前实验轨迹比模拟实验轨迹先达到嘈杂峰。实验和模拟的这种差异在忽略动态模型的情