多傳感器的關(guān)節(jié)故障檢測及容錯(cuò)策略

倪風(fēng)雷，劉伊威，鄒繼斌，劉 宏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150080哈爾濱，hit-lfn2002@yahoo.com.cn; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程博士后流動(dòng)站，150080哈爾濱)

空間機(jī)械臂是機(jī)、電、熱、控一體化的高集成度空間機(jī)電系統(tǒng).隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，空間機(jī)械臂作為在軌支持、服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入太空.由于空間惡劣環(huán)境的影響，如高低溫、噪聲、電磁干擾、空間粒子輻射、振動(dòng)以及空間環(huán)境化學(xué)污染等，即使一個(gè)阻容元件的故障，也會(huì)使整個(gè)機(jī)械臂無法完成預(yù)定任務(wù)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，需建立具有容錯(cuò)功能的關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)，如加拿大機(jī)械臂［1-2］和ETS-VII機(jī)械臂［3］等.故障檢測是關(guān)節(jié)容錯(cuò)控制的基礎(chǔ)，目前，關(guān)節(jié)故障檢測算法可分為兩大類:第一類是基于操作器的動(dòng)力學(xué)模型［4-6］，第二類是基于冗余的傳感器信息［7-8］.為了減輕關(guān)節(jié)的質(zhì)量，HIT機(jī)械臂在關(guān)節(jié)內(nèi)部集成了諧波減速器等部件，導(dǎo)致關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型難以準(zhǔn)確地建立;而且空間環(huán)境晝夜溫差變化較大，對模型中的參數(shù)影響很大.基于上述兩個(gè)原因，HIT空間機(jī)械臂采用基于傳感器的故障檢測算法，文獻(xiàn)［9］中，采用期望位置信息和實(shí)際關(guān)節(jié)角度信息相比較的方案檢測關(guān)節(jié)的故障，然而閾值的選取非常困難，無法滿足關(guān)節(jié)在低速和高速運(yùn)行時(shí)均可快速地檢測關(guān)節(jié)出現(xiàn)的故障，文獻(xiàn)［8］用二維模糊控制器實(shí)現(xiàn)了閾值的自動(dòng)調(diào)整，但算法復(fù)雜.

本文建立了基于多傳感器信息的系統(tǒng)故障檢測方法，并改進(jìn)了閾值自動(dòng)調(diào)整策略，保證關(guān)節(jié)在低速和高速運(yùn)行時(shí)，可快速地檢測關(guān)節(jié)出現(xiàn)的故障.

1 關(guān)節(jié)系統(tǒng)描述

1.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了減輕關(guān)節(jié)的質(zhì)量，提高關(guān)節(jié)的輸出力矩，便于關(guān)節(jié)內(nèi)部走線，關(guān)節(jié)采用大中心孔的電機(jī)加諧波減速器的結(jié)構(gòu).電機(jī)采用定子、轉(zhuǎn)子分離的無刷直流電機(jī)，諧波減速器采用軸向長度小、質(zhì)量輕Harmonic Drive公司的產(chǎn)品.具體的關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.

圖1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)的三維模型

1.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了克服關(guān)節(jié)的柔性，增加關(guān)節(jié)的感知能力和可靠性，關(guān)節(jié)內(nèi)集成了多種傳感器，如表1所示.為了保護(hù)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，測量每個(gè)關(guān)節(jié)受到的扭矩，每個(gè)關(guān)節(jié)都集成了基于應(yīng)變片原理的力矩傳感器，如圖2(a)所示，安放在諧波減速器的輸出和連桿之間.由應(yīng)變片測量彈性體軸向梁的變形，采用4組應(yīng)變片可有效地補(bǔ)償切向力引起變形的影響［10］.

表1 關(guān)節(jié)使用的傳感器

由于關(guān)節(jié)采用諧波減速結(jié)構(gòu)，存在柔性和滯回現(xiàn)象，電機(jī)角度的變化不能反映關(guān)節(jié)角度的變化，因此需要絕對的關(guān)節(jié)角度傳感器.為了減輕關(guān)節(jié)的質(zhì)量，提高關(guān)節(jié)傳感器系統(tǒng)的集成度，采用電位計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)絕對位置的測量，如圖2(b)所示.為了提高系統(tǒng)的集成度和傳感器信號(hào)的質(zhì)量，將信號(hào)調(diào)理電路和傳感器本體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，封裝好的電路板和傳感器如圖2(c)所示，與外部控制器連接采用SPI總線接口.

為了提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，采用數(shù)字霍爾和磁式編碼器測量電機(jī)位置信息，采用取樣電阻實(shí)現(xiàn)電機(jī)母線相電流的測量，同時(shí)，采用了多個(gè)溫度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的溫度.

圖2 關(guān)節(jié)內(nèi)部主要的傳感器

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將在空間惡劣的環(huán)境中工作，提高系統(tǒng)的可靠性非常必要.

為提高系統(tǒng)的可靠性，一般采用三模冗余的設(shè)計(jì)方法.然而由于機(jī)械臂質(zhì)量、功耗、體積的限制，關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)無法采用三模冗余的控制方案，而是采用控制器為雙模冗余備份方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源等為單模方式，兩套控制系統(tǒng)可工作在冷熱備份2種狀態(tài)下.冷備份狀態(tài)，主控制器FPGA可關(guān)掉從控制器FPGA系統(tǒng)的電源，減少系統(tǒng)功耗;而在熱備份狀態(tài)下，2套FPGA控制系統(tǒng)并行工作，從控制器FPGA通過同步串行通訊接口監(jiān)控主控制器FPGA的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到主控制器FPGA出現(xiàn)故障時(shí)，從控制器FPGA將通過仲裁電路奪取主控制器FPGA的控制權(quán)，提升為主控制器.為了提高通訊系統(tǒng)的可靠性，采用2套冗余的CAN總線通訊單元，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控制器與中央控制器的通訊.

1.4 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是6自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)式機(jī)器人，其運(yùn)行速度較慢，對關(guān)節(jié)速度精度沒有特殊要求，對機(jī)械臂末端定位精度要求較高，因此關(guān)節(jié)控制采用位置閉環(huán)伺服控制方式.為了補(bǔ)償機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)間產(chǎn)生的干擾，利用關(guān)節(jié)力矩傳感器信息進(jìn)行補(bǔ)償，但這種方法不能補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，因此，在電機(jī)內(nèi)部加入了快速電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)［9，11］，整個(gè)關(guān)節(jié)的位置伺服系統(tǒng)控制框圖如圖4所示.

圖3 關(guān)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)

圖4 關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)控制框圖

2 關(guān)節(jié)故障診斷及容錯(cuò)策略

機(jī)械臂采用分布式控制策略，由中央控制器負(fù)責(zé)笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，關(guān)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間的傳感器信息采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置控制、故障檢測等功能.關(guān)節(jié)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示，關(guān)節(jié)控制器和中央控制器之間的通訊周期為250 ms，因此，需要在關(guān)節(jié)空間內(nèi)將中央控制器規(guī)劃的期望位置信息進(jìn)行再次規(guī)劃，產(chǎn)生2 ms控制周期所需的期望位置和速度信息，并根據(jù)電機(jī)和關(guān)節(jié)處傳感器信息實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)部故障的檢測.建立關(guān)節(jié)故障樹的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)故障樹的信息啟動(dòng)相應(yīng)的容錯(cuò)策略，控制關(guān)節(jié)運(yùn)行，保證關(guān)節(jié)系統(tǒng)可靠工作.

圖5 關(guān)節(jié)容錯(cuò)系統(tǒng)

2.1 故障樹建立

每個(gè)關(guān)節(jié)都是由機(jī)械部件、電氣部件以及熱控部件等組成.關(guān)節(jié)的故障樹如圖6所示，機(jī)械部件如電機(jī)、諧波減速器、軸承等出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致關(guān)節(jié)無法正常工作;電氣系統(tǒng)部件如電源板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和FPGA控制板出現(xiàn)故障，也將導(dǎo)致關(guān)節(jié)無法正常工作，需要采用可靠性高的元件和部件.為了提高傳感器系統(tǒng)的可靠性，傳感器采用冗余設(shè)計(jì)，如電機(jī)位置反饋的數(shù)字霍爾和磁編碼器;關(guān)節(jié)使用的電位計(jì)和限位開關(guān)等.

通過H公司的13位專家對本公司的電網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)體系中的盈能力進(jìn)行綜合打分評判，得到了9份有效的答卷，通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在9份有效答卷中其中有一份的評價(jià)為風(fēng)險(xiǎn)極小，有5份評價(jià)為風(fēng)險(xiǎn)小，而有3份為風(fēng)險(xiǎn)一般，并且通過最后對H公司此項(xiàng)電網(wǎng)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)最后評估得分以及其他一系列的數(shù)學(xué)計(jì)算得出，H公司的此項(xiàng)電網(wǎng)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評估分?jǐn)?shù)較低，且此電網(wǎng)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)級別屬于風(fēng)險(xiǎn)小的級別。

圖6 關(guān)節(jié)故障樹

2.2 關(guān)節(jié)容錯(cuò)策略

從關(guān)節(jié)的故障樹模型可知，關(guān)節(jié)出現(xiàn)的故障可以分為兩類:一類是臨時(shí)性故障;一類是永久性故障.臨時(shí)性故障可以通過硬件線路設(shè)計(jì)和FPGA軟件程序設(shè)計(jì)加以克服.例如，F(xiàn)PGA內(nèi)部三模冗余的程序設(shè)計(jì)可以克服單粒子翻轉(zhuǎn)事件的影響;設(shè)計(jì)的電源電路可以克服單粒子鎖定事件產(chǎn)生的錯(cuò)誤.然而對永久性故障，根據(jù)故障的特點(diǎn)，如電機(jī)、諧波減速器、軸承、以及關(guān)節(jié)線路板等出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致關(guān)節(jié)無法工作，此時(shí)機(jī)械臂只有降級使用，重新規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，減少工作空間;而當(dāng)關(guān)節(jié)力矩傳感器或電機(jī)電流傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，對系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度沒有影響，只是會(huì)造成關(guān)節(jié)力矩出現(xiàn)波動(dòng);當(dāng)磁式編碼器出現(xiàn)故障時(shí)，只有采用數(shù)字霍爾進(jìn)行降級使用;當(dāng)關(guān)節(jié)電位計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，可以采用電子限位開關(guān)進(jìn)行替代;當(dāng)電位計(jì)和限位開關(guān)均出現(xiàn)故障時(shí)，采用電機(jī)位置信息進(jìn)行替代

2.3 關(guān)節(jié)故障檢測

文獻(xiàn)［7］中故障檢測算法僅是采用了期望位置與實(shí)際關(guān)節(jié)角度信息進(jìn)行比較，這種方法無法準(zhǔn)確地判斷是期望位置故障，還是關(guān)節(jié)角度傳感器故障，因此本文改進(jìn)了這種方法，即不僅比較期望的位置與實(shí)際的傳感器位置信息，而且傳感器信息之間也進(jìn)行比較，同時(shí)限制了期望角度的變化，防止期望角度信息突變，導(dǎo)致關(guān)節(jié)異常運(yùn)動(dòng).

關(guān)節(jié)故障檢測算法為:

式中:θdesired為期望的關(guān)節(jié)角度信息為期望的關(guān)節(jié)角速度信息;θsensor為關(guān)節(jié)電位計(jì)傳感器信息;θthrsh為相差的角度閾值為關(guān)節(jié)限制的最大速度;θsensor1、θsensor2為數(shù)字霍爾和磁編碼器信息.

此算法中，閾值的選取非常重要.閾值太大，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)傳感器故障的時(shí)間變長，閾值太小，導(dǎo)致傳感器誤動(dòng)作，因此，為了滿足關(guān)節(jié)在低速、高速運(yùn)行時(shí)，診斷關(guān)節(jié)是否故障，文獻(xiàn)［8］采用了兩維模糊控制器進(jìn)行閾值調(diào)整，然而算法復(fù)雜.本文對其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一維模糊控制器，實(shí)現(xiàn)閾值θthrsh的自動(dòng)調(diào)整，其輸入為期望的關(guān)節(jié)速度信息，輸出為調(diào)整的閾值θthrsh.關(guān)節(jié)的速度范圍為-5～5(°)/s(電機(jī)的速度范圍為-800～800(°)/s)，經(jīng)過線性變換映射到模糊論域?yàn)椋?3，3］，其經(jīng)模糊化后采用5個(gè)模糊變量進(jìn)行描述:θ·desired=［NB，NS，ZE，PS，PB］，即［負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大］，輸出變量θthrsh論域?yàn)椋?，3］，采用3個(gè)模糊變量進(jìn)行描述，即θthrsh=［ZE，PS，PB］，控制規(guī)則采用下面的3條語句描述:

表2 模糊控制規(guī)則表

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的故障檢測算法，進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn):電機(jī)在正常工作狀態(tài)下，采用磁編碼器測量電機(jī)位置信息，進(jìn)行正弦驅(qū)動(dòng);當(dāng)利用提出的故障檢測算法檢測到磁編碼器故障時(shí)，采用數(shù)字霍爾傳感器返回電機(jī)位置信息，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式改為方波驅(qū)動(dòng).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用集成數(shù)字霍爾和磁編碼器的電機(jī)，在電機(jī)正常運(yùn)行之后，為了模擬磁編碼器出現(xiàn)故障，人為地將磁編碼器輸出信號(hào)切斷，觀測電機(jī)是否仍然能夠運(yùn)行;同時(shí)，為了驗(yàn)證本文提出閾值自動(dòng)調(diào)整策略，對電機(jī)進(jìn)行了高速和低速2種測試，并與采用固定閾值方式進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示.從圖7可見:當(dāng)控制器檢測出磁編碼器出現(xiàn)故障后，仍然可以利用數(shù)字霍爾信息實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng);在電機(jī)速度較高情況下(960(°)/s)，與固定閾值的調(diào)整時(shí)間和改進(jìn)算法的調(diào)整時(shí)間相當(dāng)，約28 ms，如圖7(a)、7(b)所示;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在240(°)/s時(shí)，采用固定閾值的算法將在120 ms內(nèi)診斷出傳感器故障，時(shí)間較長，如圖7(d)所示;而采用本文提出的算法，診斷故障的時(shí)間僅需30 ms，如圖7(c)所示.

由此可見，采用本文提出的算法可以快速地診斷傳感器的故障，盡管使用數(shù)字霍爾位置的控制精度低于使用碼盤的控制精度，但仍然可保證電機(jī)正常運(yùn)行.

4 結(jié)論

1)本文闡述了哈工大機(jī)器人研究所研制的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)、伺服控制單元的設(shè)計(jì).建立了關(guān)節(jié)故障樹的模型，并基于多傳感器信息，改進(jìn)了關(guān)節(jié)故障檢測算法，設(shè)計(jì)了閾值自動(dòng)調(diào)整規(guī)則.

2)采用該故障檢測算法可以快速、準(zhǔn)確地檢測關(guān)節(jié)的故障，保證關(guān)節(jié)平穩(wěn)可靠地運(yùn)行.

圖7 控制曲線

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