一种一种新的多发性三步电机控制模式

一种一种新的多发性三步电机控制模式

如果手动操作对象，不仅要完成自由空间中的跟踪，还要实现限制范围内的精确力控制。基于文献提出的位力混合控制和控制模式的变化，控制信号的不连续性和基于手指的不稳定度。文献提出的抗逆效应控制在很大程度上取决于操作员对环境知识的理解。在实际应用中，很难精确地控制位置，提高强度。文件提出了跟踪策略，但许多参数调整使调试复杂化，部分参数的初始选择不足，这将影响初始多臂图像采集的稳定性。本文基于阻抗控制的思想,在文献的基础上,提出一种机器人多指手实现稳定抓取的力控制策略.该策略以力矩控制作为基本的控制器,在自由空间引入位置信号作为期望力的输入信号,在约束空间采用力矩控制,两种控制模式的切换采用观测器.控制系统由基于力的阻抗控制器、观测器和力矩控制器组成.与位/力混合控制相比,该方法在自由空间、过渡过程及约束空间都采用同一个力矩控制器,本质上不存在控制器的切换,有利于保持系统的稳定性.与阻抗控制相比,该方法在自由空间利用引入的位置信号可以对手指进行位置控制,在过渡空间利用阻抗控制柔顺性的特点实现平稳过渡,同时在约束空间又可以实现精确的力跟踪.1基于关节疲劳位置的力管理系统1.1期望力向量控制多指灵巧手抓取需要手指对物体施加恒定的抓取力.在HIT/DLR灵巧手中,手指装有3个关节力矩传感器,可以实现手指在三维空间中任意方向的力输出.设Fd=[Fdx,Fdy,Fdz]T表示指尖所施加的三维期望力向量.τjd=[τjd1,τjd2,τjd3]T表示手指的关节期望力矩向量,通过力雅可比矩阵JTF(θ),可把期望指尖力映射为期望的关节力矩τjd=JTF(θ)Fd.PID控制以其算法的有效性和简易性在机器人的力控制领域有广泛的应用.本文采用PID控制结合重力补偿实现关节的力矩控制.控制函数为uc=Kpe(t)+ΚΙ∫e(t)dt+ΚDdθ(t)dtKI∫e(t)dt+KDdθ(t)dt+Tg(θ(t)),式中:e(t)=Td(t)-Tr(t)为关节力矩误差,Td和Tr分别为期望力矩和实际力矩;θ(t)为关节的实际位置;KP,KI和KD分别为力矩控制器的比例系数、积分系数和微分系数;Tg(θ(t))为关节所受的重力补偿项;uc是控制器的输出.为克服力矩传感器信号噪声的影响,在反馈环中以关节速度代替力矩的直接微分,速度反馈项可以增加系统的阻尼,有利于增强系统的稳定性和减小力超调.1.2机器人植物抗级分析手指在接近物体阶段,需要在自由空间中进行位置控制.为了保证手指从自由空间到约束空间过渡过程的平稳,在关节力矩控制的基础上,引入关节位置信号,这样关节控制就转化为基于力的阻抗控制.内环由以上所述的力矩控制器组成,外环由引入位置信号的阻抗计算环节组成.当手指在自由空间运动时,机器人与物体之间的作用力为零,此时阻抗控制器内环的力控制器不起作用,只有外环的位置控制器起作用,相当于位置控制,所以能实现自由空间的位置跟踪.同时在自由空间到约束空间的过渡过程中,手指与物体有接触力的作用,利用阻抗控制的柔顺性,可实现平稳过渡.机器人灵巧手的目标阻抗模型可以表示为-Fext=Κd(Xd-X)+Bd(˙Xd-˙X)+Μd(¨Xd-¨X),−Fext=Kd(Xd−X)+Bd(X˙d−X˙)+Md(X¨d−X¨),式中:Fext为手指与环境接触时手指所受的力;Kd,Bd和Md分别为目标刚度矩阵、目标阻尼矩阵和目标惯性矩阵;X,˙XX˙和¨XX¨分别为指尖的实际位置、速度和加速度向量;Xd,˙XX˙d和¨XX¨d分别为指尖的期望位置、速度和加速度向量.对灵巧手合理地选择阻抗参数,就能保证手指与环境接触后运动的平滑性.在机器人手指的能量需要被快速吸收和消耗掉的情况下,应选择较大的阻尼.在实际的机器人控制系统中,由于传感器的噪声和精度等对加速度的误差影响很大,有可能导致手指控制的不稳定.另外手指的质量比较小,手指阻抗中的惯性项Μd(¨Xd-¨X)Md(X¨d−X¨)对手指的控制影响不大,故将惯性参数Md设为零.阻抗控制器的实现方法如下:指尖期望位置Xd来源于任务规划,关节的期望位置θjd=L-1(Xd),式中L-1表示手指的逆运动学.期望位置θjd经轨迹规划后,可得到规划的关节位置和速度θtrd和˙θθ˙trd.关节的期望力矩τd=Κd(θtrd-θr)+Bd(˙θtrd-˙θr).τd=Kd(θtrd−θr)+Bd(θ˙trd−θ˙r).这样利用反馈的关节位置和速度信号,控制器就可实现自由空间的位置控制,同时又能保证过渡过程的柔顺性.1.3多元控制模式下的摩擦补偿控制系统观测器根据传感器的力矩信息和上位机控制器的指令,实现控制模式的正确切换.其流程如图1所示.首先输入手指的期望位置Xd和期望力Fd.当运行标志位Flag为1时,运行该程序.这里取基关节俯仰力矩τr2作为控制器的切换变量.当基关节力矩τr2大于切换力矩阈值τthr时,控制模式由1转为2,此时关节由位置控制转为力矩控制.当手指离开物体时,通过控制期望位置Xd和期望力Fd,使手指重新进入模式1的阻抗控制.整个机器人多指手位置/力矩的控制系统的框图如图2所示.核心控制器为关节力矩控制,控制模式由观测器根据输入参数和力矩传感器的数值进行选择,模式1为阻抗控制,模式2为力矩控制.该控制器控制手指是从自由空间运动到约束空间实现对物体进行稳定抓取.手指在自由空间运动时,经过重力补偿后的关节力矩传感器为零,观测器将手指的控制开关设置为模式1,这时阻抗控制器的内环不起作用,只有外环的位置控制在起作用,可以实现自由空间的位置跟踪.当手指与物体接触时,关节力矩传感器感应到的力矩信号使阻抗控制的内环起作用,开关存在阻尼特性,可以保证过渡过程的稳定性.当关节力矩大于设定的阈值时,系统观测器将控制转换为模式2,手指关节转为力矩控制,从而实现手指关节精确的力矩跟踪.2期望轨迹规划及控制参数为了验证控制策略的有效性,本文采用HIT/DLR多指灵巧手作为实验平台.该手有4个手指,每个手指有3个自由度,各手指的3个关节分别装有力矩传感器和位置传感器.为使灵巧手平滑地跟踪期望位置和关节力矩,采用文献中的四次多项式轨迹规划对轨迹进行差补.实验中采样周期Tc=1ms,轨迹时间段TI=200ms,加速度时间Tacc=30ms.将插补得到的期望轨迹序列(τtrd,θtrd,˙θθ˙trd)作为相应控制周期内关节的期望值.关节力矩控制器的PID控制参数取值为KP=220,KI=0.035,KD=35;目标刚度Kdi=170N·mm/(°),目标阻尼Bdi=2150N·mm·s/(°).2.1期望位置和初始位置实验使手指关节在自由空间对正旋曲线进行位置跟踪.离散化后的正旋轨迹表达式为θjd(k)=θ0+θfsin(2πfkΤc),θjd(k)=θ0+θfsin(2πfkTc),式中:θjd,θ0和θf分别是关节的期望位置、初始位置和幅值;k为采样时刻;f和Tc分别是关节运动的频率和系统的控制周期.实验中正旋轨迹的参数为θ0=30°,θf=30°,f=0.0926Hz.手指关节在自由空间运动,系统观测器将控制开关设为模式1.此时控制器为阻抗控制,但由于阻抗控制器只有外环的位置控制在起作用,关节进行位置跟踪.实验结果如图3所示.可以看出在自由空间中,虽然控制器的内环有力矩信号的干扰噪声,但对经过轨迹规划的位置信号有很强的跟踪能力,可以控制手指关节到达期望的位置.2.2期望应力跟踪控制图4是手指关节在约束空间中的力矩跟踪曲线.此时控制器为力矩控制,系统观测器将控制开关设为模式2.设定关节的期望力矩τjd为50N·mm→200N·mm→600N·mm→350N·mm.对期望的力矩经过规划后,利用手指关节的力矩控制器,对期望的力矩进行跟踪.结果显示:关节力矩控制器可以快速、准确地实现力矩跟踪,可以满足精确的指尖抓取力要求.2.3位置/稳定性控制各关节力矩阈值根据抓取物体的力封闭条件和关节力矩传感器的信号噪声设定.当手指与物体的接触力达到相应的阈值时,立即进行控制模式的切换,进行精确的力跟踪.图5是手指从自由空间到约束空间的关节力矩跟踪曲线.手指先在自由空间运动,接近物体.系统观测器将控制开关设为模式1的阻抗控制,进行位置跟踪.关节从自由空间开始运动,跟踪由期望位置产生的虚拟力矩,在1.8s时与物体进行接触,由于关节具有阻尼特性,因此吸收部分冲击能量,从而使手指接触平稳.当关节实际力矩超过规定的阈值25N·mm时,观测器将控制开关设为模式2的力矩控制,对手指关节进行力矩跟踪,跟踪的关节力矩为200N·mm.实验结果表明:手指可以在自由空间中运动到抓取位置,进行精确的力跟踪,并且实