氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)高精度位姿控制研究.pdf

1、氣動肌肉是一種具有類似人類肌肉輸出特性的柔性執(zhí)行器，它是根據(jù)人類肌肉的運動原理設(shè)計而成。氣動肌肉既具有清潔、質(zhì)量輕、價格低、易維護等氣動元件的優(yōu)點，與氣缸相比，還具有較大的功率/體積比和功率/質(zhì)量比，并且由于其力一位移關(guān)系特性與人類肌肉特性相似而具有很好的柔順性。并聯(lián)關(guān)節(jié)機構(gòu)具有承載能力強、無累積誤差、精度高和反應(yīng)速度快等優(yōu)點。我們提出一種結(jié)構(gòu)簡單的氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)，采用三根氣動肌肉連接運動平臺和基座，使用成本低的高速開關(guān)閥來控制氣動肌

2、肉的充氣量實現(xiàn)氣動肌肉收縮，從而達到多自由度的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角控制。該機構(gòu)充分發(fā)揮氣動肌肉與并聯(lián)關(guān)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)點，具有功率/重量比和功率/體積比大、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、成本低、運動平滑、自然柔順性好、不易損害操作對象等諸多優(yōu)點，在機器人、工業(yè)自動化、仿生機械等領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。 但是，氣動肌肉的強非線性和參數(shù)時變性以及并聯(lián)關(guān)節(jié)的多輸入多輸出耦合影響和模型不確定，給氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的高精度控制帶來挑戰(zhàn)。首先，氣動肌肉的收縮力、收縮位

3、移和內(nèi)部壓力之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，其收縮力不易精確獲得；氣動肌肉的摩擦力和滯回受壓力、溫度等多種因素影響，其特性很難獲得；氣動肌肉內(nèi)部壓力微分方程的非線性，假定氣體為多變過程，這將造成模型的不準確對控制量帶來干擾，而且，雖然氣腔內(nèi)的壓力可假定為均勻的，但溫度卻是不均勻的。其次，經(jīng)過閥口的流量計算方法都是基于穩(wěn)態(tài)流量測試標準，不能測試閥口的瞬態(tài)流量，存在較大的模型誤差；高速開關(guān)閥存在流量脈動、開關(guān)延遲等多種不利控制因素。再者，氣動肌肉

4、并聯(lián)關(guān)節(jié)為多輸入多輸出且耦合的非線性系統(tǒng)，各種參數(shù)不易精確獲得；且存在未知的外部干擾力矩。 本論文以氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)為研究對象，以實現(xiàn)高精度軌跡跟蹤控制為研究目標，采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地且逐層深入地研究了氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)位姿的高精度控制方法。 針對冗余的控制自由度使得工作點時變從而導致軌跡跟蹤精度一致性變差的問題，提出在基于反步法的自適應(yīng)魯棒控制中加入期望等效平均剛度約束來消除冗余的控制自由度，并根據(jù)

5、測量噪聲增益對等效平均剛度進行優(yōu)化設(shè)計，既保證了高精度的位姿軌跡跟蹤又減少了控制量振蕩。針對無壓力傳感器時的參數(shù)自適應(yīng)問題，提出多執(zhí)行器耦合氣動系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)壓力觀測方法，并與自適應(yīng)魯棒控制策略相結(jié)合將偽解耦過程中新增的不確定、壓力觀測誤差產(chǎn)生的動態(tài)不確定和模型本身的不確定一起進行抑制與補償，從而實現(xiàn)無壓力傳感器時氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的高精度位姿軌跡跟蹤。針對并聯(lián)關(guān)節(jié)運動方向改變時瞬態(tài)跟蹤誤差較大的問題，提出基于復(fù)合誤差最小化準則的參數(shù)

6、估計方法獲得具有冗余特征系統(tǒng)動力學方程的可靠且合理的參數(shù)估計，并與自適應(yīng)魯棒控制相結(jié)合，設(shè)計了直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器。此控制方法獲得的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.01°，正弦軌跡跟蹤的平均誤差小于0.1°和最大跟蹤誤差小于0.3°。本論文的主要研究分為九章，現(xiàn)分述如下： 第一章，介紹了氣動肌肉的發(fā)展歷程、主要特點和使用形式；探討了國內(nèi)外在氣動肌肉的數(shù)學模型、相關(guān)特性、控制方法和系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究現(xiàn)狀；最后概述了本課題的研究意義、研

7、究難點以及研究內(nèi)容。 第二章，描述了氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)實驗裝置的機構(gòu)原理與硬件組成；根據(jù)數(shù)學建模的假設(shè)條件，通過建立并聯(lián)關(guān)節(jié)的動力學模型、氣動肌肉收縮力模型和壓力微分方程、溫度微分方程、平均流量方程，獲得氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)完整的非線性模型；根據(jù)附加的簡化假設(shè)條件，將并聯(lián)關(guān)節(jié)和執(zhí)行器的動力學模型進行簡化，獲得氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)簡化的非線性模型以便設(shè)計非線性控制器；通過數(shù)學模型線性化、求取靜平衡狀態(tài)的系統(tǒng)工作點和進行開環(huán)控制下

8、的系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)的特性和各模型參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 第三章，根據(jù)并聯(lián)關(guān)節(jié)的一般剛度定義，推導出氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度，分析了不同位姿點的靜態(tài)剛度和靜態(tài)剛度對系統(tǒng)性能的影響；首次定義了氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的等效平均剛度，并給出了使用等效平均剛度作為約束來消除冗余控制自由度的原理；從等效平均剛度的可調(diào)范圍、優(yōu)化方法和等效平均剛度與等效平均壓力的關(guān)系三個方面，分析了等效平均剛度的選取原則，并給出其應(yīng)用時的注意事項。

9、 第四章，建立了氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)的控制量和狀態(tài)量互相偽解耦的三階動態(tài)系統(tǒng)模型；構(gòu)造了輸出微分觀測器以獲取速度信號和加速度信號；分別設(shè)計了帶邊界層線性切換函數(shù)的全階滑?？刂破骱蛶н吔鐚泳€性或非線性切換函數(shù)的降階滑模控制器；分析了跟蹤誤差與滑模切換函數(shù)、控制參數(shù)和系統(tǒng)不確定量之間的關(guān)系；探討了邊界層的影響和氣源壓力的影響。 第五章，導出了參數(shù)不確定形式的系統(tǒng)模型；設(shè)計了基于非連續(xù)參數(shù)投影映射的自適應(yīng)魯棒控制器，通過自適應(yīng)參數(shù)估計

10、來補償因系統(tǒng)模型中某些參數(shù)未知而引起的參數(shù)不確定，通過魯棒反饋抑制系統(tǒng)模型中的嚴重非線性不確定，通過優(yōu)化的等效平均剛度消除冗余控制自由度以確定系統(tǒng)的工作點從而解決軌跡跟蹤精度的一致性變差問題和減少控制量的振蕩；從理論上分析了控制器的參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響；從實驗上分析了等效平均剛度對系統(tǒng)控制性能特別是歸一化的控制變化量的影響。 第六章，為提高可靠性和降低成本而取消壓力傳感器，這樣不僅存在氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)不確定和嚴重非

11、線性不確定，而且新增了壓力未知導致的動態(tài)不確定；導出了單支路的單輸入單輸出偽解耦模型以便構(gòu)造壓力觀測器來估計未知的壓力；設(shè)計了基于壓力觀測的自適應(yīng)魯棒控制器實現(xiàn)氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)無壓力傳感器時的高精度軌跡跟蹤：分析了氣源壓力對系統(tǒng)控制性能的影響。 第七章，為獲得氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)系統(tǒng)的精確模型，將并聯(lián)關(guān)節(jié)的動力學模型表示為參數(shù)線性化的修正模型以便把未建模誤差表示出來；提出基于復(fù)合誤差最小化準則的參數(shù)估計算法，給出離散形式的參數(shù)辨識獲

12、取修正模型參數(shù)的初始值，給出連續(xù)形式的參數(shù)辨識以便實現(xiàn)在線的自適應(yīng)參數(shù)估計；通過單根氣動肌肉收縮長度的定長控制對流量模型進行了修正。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于參數(shù)投影映射的直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器以解決氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)運動方向改變時瞬態(tài)跟蹤誤差較大的問題，同時獲得了可靠且合理的參數(shù)估計。 第八章，在氣動肌肉并聯(lián)關(guān)節(jié)上對直接/間接復(fù)合自適應(yīng)魯棒控制器進行了各種試驗測試；給出了階躍位姿響應(yīng)、正弦軌跡跟蹤、任意連續(xù)軌跡跟蹤的試驗結(jié)果