受环境约束的可重构机械臂系统鲁棒分散容错控制方法研究

发布时间：2020-08-26 07:38

【摘要】：人类对机器人的憧憬和探索历经3000多年从未改变,然而自世界上第一台工业用机器人的投产至今历时短短60余年。这60年的迅猛发展,使得机器人从无到有再到随处可见,已经成为当今生活的真实写照,并为国民经济以及人们的生活带来了前所未有的提高。长期以来,无数科研工作者们一直渴望实现机器人与人类的紧密接触,希望机器人可以在日常生活中帮助我们,与我们一起工作。传统的机械臂大多在固定构形下完成位置控制,并且关节工作在一个单一的主动模式。这样的机械臂已经在诸如工厂的生产线等受控环境下成功运行。在受控环境之外,他们只有在由操作人员操作时才执行复杂的操作任务。到了现在,机器人已经超越了结构化的工厂环境,进入了复杂环境工作,实现人机协作。传统的具有位置控制的工业机械臂不适合在人类环境中进行复杂的操作,故需要与环境接触的机器人面临着全新机遇的同时也迎来了新的挑战。机器人学在这短短几十年里突飞猛进的发展主要是依赖于其他学科的迅速发展,这些学科与机器人学科的发展是相辅相成的。例如仿生科学、人工智能、计算机科学等领域,机器人系统可以为其理论验证提供实验平台,而机器人的研究也离不开这些学科的支持。自模块化可重构机械臂的概念被提出以来,涌现出大量相关领域的科研人员致力于其位置控制的研究并取得了丰硕的研究成果。然而,在现实工程应用中,如开关门操作、搜索救援以及辅助手术、康复训练等情况下,机械臂工作在受环境约束的复杂、精细操作中,单一的位置控制已经不能满足实际工程应用的需要,更多的科研人员将控制目标锁定在了对其位置控制的同时实现对其末端力进行准确的控制。同时,由于模块化可重构机械臂与人类密切接触且投资越来越大,其寿命和可靠性的要求也随之不断提高。目前,国内外研究机构针对受约束可重构机械臂系统容错控制问题的研究还不多见,也不够深入。此外,可重构模块机械臂在执行任务期间需要适当变换构形以适应不同的任务需求。因此,对本质上采用模块化设计思想的可重构模块机械臂来说,分散控制策略更加适合其自身的控制问题。但是如何仅采用局部信息将末端接触力映射到各个关节空间进而实现模型分解,一直是制约分散控制策略应用到受约束可重构模块机械臂力/位置控制问题的瓶颈。本文成功克服上述困难,主要研究了受约束可重构机械臂系统的无故障及故障模型描述方法、力/位置分散控制方法、力/位置鲁棒分散容错控制方法、容错控制条件下系统健康检测方法以及饱和约束条件下的执行器故障容错控制方法等。实现了受约束可重构机械臂分散力/位置控制及其容错控制,并将执行器的输出能力考虑在容错控制器的使用及设计中,使其更加符合工程实际应用。全文主要内容包括:1.阐述了课题的研究背景及意义,对模块化可重构机械臂的研究现状以及容错控制技术问题进行了综述。2.利用Newton-Euler迭代算法得到模块化可重构机械臂传统动力学模型及其故障模型并将其表征为一组通过耦合力矩相关联的子系统集合。此外,给出一种基于谐波传动模型的关节力矩估计方法并利用这种方法得到一种相比于传统模型其结构相对简单的模型表达方法。3.针对受环境约束的模块化可重构机械臂的每个子系统动力学模型,提出基于谐波传动模型的关节力矩估计方法。在不采用关节力矩传感器的情况下,仅利用电机端与关节末端的位置测量数据对可重构模块机械臂关节力矩进行估计。在此基础上,设计动态输出反馈鲁棒控制方法,实现受约束条件下可重构机械臂力/位置分散控制。此外,考虑到控制器参数摄动问题,将非脆弱鲁棒控制技术与动态输出反馈相结合,进一步提高了系统的控制性能。4.针对受环境约束的可重构机械臂系统出现非仿射执行器故障的情况,制定鲁棒分散容错控制策略,首先设计一种积分滑模控制器实现受约束可重构机械臂力/位置分散控制,然后将自适应控制策略加入到滑模控制器中对未知非仿射形执行器故障进行补偿,实现约束条件下可重构机械臂鲁棒分散容错控制。最后进行仿真验证方法的有效性。5.在已使用容错控制器的前提下,考虑到可重构机械臂执行器的输出能力,设计一种新颖的分散式健康检测方法,分别对可重构机械臂系统的各个关节模块进行健康检测。为了避免关节加速度信息的使用,将关节控制力矩进行滤波处理,并且与滤波估计力矩进行比较得到预测误差。最后,利用力矩预测误差的积分构造性能指标对可重构机械臂系统各个关节模块的运行情况进行健康检测。6.针对可重构机械臂系统执行器存在饱和的现象,将执行器饱和考虑到执行器容错控制中,提出一种基于解耦的分散鲁棒容错控制方法,利用Radial Basis Function(RBF)神经网络补偿器对超出执行器输出能力部分的控制力矩进行补偿,使得可重构机械臂系统在执行器饱和约束下其容错控制性能指标达到最优。此外,由于RBF具有简单的架构和快速的训练过程并且仅用于对超出执行器输出能力部分的控制力矩进行补偿,故任何由RBF引起的延迟都不会对容错控制造成影响。最后,对全文工作总结,结合自身研究心得,对后续研究工作进行展望。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【图文】：

机械臂,模块化

（a） LWA4D 实物图（b） LWA4D 模块化关节图 1-1 LWA4D 模块化机械臂复定位精度高达±0.15mm。机械臂的每个关节模块都安装一个工作电压为 24V 的无刷直流电机以便实现模块化控制。此外，该公司还研发并生产出如图 1-2（a）所示的名为 LWA4P 的模块化可重构机械臂[2]，圆球形关节设计理念是这款机械臂最大的优点所在，这种设计使得关节转动角度可以达到正负 170 度，其内部结构如图1-2（b）所示。

机械臂,模块化

（a） LWA4D 实物图（b） LWA4D 模块化关节图 1-1 LWA4D 模块化机械臂定位精度高达±0.15mm。机械臂的每个关节模块都安装一个工作电压为 24V 的刷直流电机以便实现模块化控制。此外，该公司还研发并生产出如图 1-2（a）所的名为 LWA4P 的模块化可重构机械臂[2]，圆球形关节设计理念是这款机械臂最的优点所在，这种设计使得关节转动角度可以达到正负 170 度，其内部结构如图-2（b）所示。

可重构,夹持,夹具,面板

图 1-3 可重构夹具夹持面板图 1-4 吞服胶囊机器人图 1-5HIT 机械臂系统图 1-6 Trimobot 三维模型近些年通过我国科研人员的不懈努力使得模块化可重构模块机械臂在许多领得以迅速发展。上海交通大学的吴超设计了一种水下模块化可重构机械臂，这种械臂的最大优点在于其未来可应用于水下作业[7]。我国第一套空间机械臂原理样

【参考文献】