仿人灵巧手的EtherCAT通讯系统及阻抗控制研究

发布时间：2020-07-25 09:23

【摘要】：机器人灵巧手是由单手指串联机器人和指间并联机器人组成的机器人系统,是多领域的交叉技术的结合,包括机械结构设计、电路设计、传感器设计和软件控制算法设计等。本文以HIT/DLR II灵巧手为本体,以国家科技部863课题“新一代五指仿人灵巧手的结构设计及抓取操作的研究”为背景,目的是设计一套通讯速度快,实时性好的灵巧手控制平台。同时,该平台具有易于实现HIT/DLR II灵巧手复杂算法的特点。进而,基于此实时性控制平台,以具体的抓取与操作任务为目标,提出一套可应用于灵巧手实际抓取与操作的阻抗控制器算法策略。本文首先分析了灵巧手通讯的发展现状,针对现有灵巧手通讯存在的问题,结合HIT/DLR II灵巧手自身特点,得出了Ether CAT总线是目前最适合本文设计HIT/DLR II灵巧手实时性通讯需求的结论。进而,设计了一套HIT/DLR II灵巧手的Ehter CAT控制系统平台,具体包括Ether CAT从站硬件电路系统设计,FPGA从站Ether CAT软件控制器系统设计,Ether CAT主站Twin CAT 3.1的PLC灵巧手函数控制层系统设计,以及联合Matlab/Simulink与Twin CAT 3结合的Simulink模块算法调用设计。搭建了基于Ehter CAT通讯的HIT/DLR II灵巧手控制平台,为本文HIT/DLR II灵巧手动力学的建模以及控制算法的实现提供了实时性、可靠性的控制平台。对于五指仿人灵巧手动力学模型建模的精确性,有助于更准确的对HIT/DLR II灵巧手进行精确的位置控制、指尖输出力控制、力与位置混合控制,以及主动柔顺控制。本文通过对笛卡尔空间下,手指参考坐标系的讨论,阐述了手指指尖位置、速度、角速度、加速度和角加速度之间的关系。以单指动力学为前提,通过对双指动力学指间约束关系的讨论,建立了HIT/DLR II灵巧手双指的动力学模型,进而得到了灵巧手的多指动力学模型。最后,基于Ether CAT三重中断从站PDI设计方式,将基于乘子法建立的多指动力学模型应用到Ether CAT平台中,从而确保所提出多指动力学模型的可应用性。本文针对HIT/DLR II灵巧手在等式约束条件下,首先对灵巧手手指在自由空间无约束的情况下,对单手指阻抗控制器解的存在性、充要条件、收敛性和收敛速度进行了理论分析,进而在灵巧手手指指间有约束的情况下,对外环阻抗控制器力优化的充要条件和灵敏度进行了理论分析,通过灵敏度函数得出了拉格朗日乘子*λ随着灵敏度函数的增长而递减的变化率的结论。与精确惩罚函数法、障碍法相比较,基于拉格朗日乘子法算法设计的控制器,具有实时性更好、指尖力非线性规划速度更快和鲁棒性更强的特点,所以HIT/DLR II灵巧手基于拉格朗日乘子法理论设计阻抗控制器。通过构造增广拉格朗日函数(,)k kkCLθλ,提出一套双环阻抗控制器的指尖力优化策略,从而设计一种具有等式约束的基于拉格朗日乘子法的阻抗控制器。对于HIT/DLR II灵巧手实际操作物体的情况,等式约束仅是一种特例,实际绝大多数情况是为了完成某种特定的任务,从而指尖不等式约束更具有实用性。因此,本文最后针对不等式约束抓取问题,提出了一套基于拉格朗日乘子法的不等式约束阻抗控制器设计策略,即包括了基于Broyden Fletcher Goldfarb Shanno(BFGS)法的无约束单指力优化内环算法和基于Karush Kuhn Tucker(KKT)法的有约束外环算法。实验结果表明基于Ether CAT的HIT/DLR II灵巧手平台,可以达到高速、实时、稳定性好的操作效果。同时,本文提出的不等式约束下的双环阻抗控制算法,以具体的操作任务为目的,可以通过本文设计的Ether CAT平台加以实现。最终,通过HIT/DLR II灵巧手稳定抓取和灵巧操作实验,验证了本文所提出策略的可实施性和有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242

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