劉先學(xué),李 婕
(山東省諸城市機關(guān)事務(wù)服務(wù)中心,山東 諸城 262200)
由于現(xiàn)代機器人自動化程度較高,可在一定程度上代替人力勞動,因此其研發(fā)備受關(guān)注。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,該項技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工業(yè)、航天、娛樂、采礦、探險和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域,存在部分功能無法完善的缺點,應(yīng)用效果有待提升。目前部分機器人受到性能的影響無法應(yīng)用于特定環(huán)境,或無法具有多項功能,隨著科技的發(fā)展,機器人的能力將不斷得到完善,其應(yīng)用范圍也會逐漸擴大。由于目前機器人可實現(xiàn)的功能過于簡單,針對復(fù)雜任務(wù),通常會采用具備不同特性的機器人來完成,該方法需要增加大量的成本。
目前,模塊化設(shè)計概念正在電力電子工程、計算機軟件工程、機械工程等多個領(lǐng)域中發(fā)揮作用,其基本思路是把一個復(fù)雜、繁瑣的系統(tǒng)切割為具有各種功能的模塊,讓這些模塊處于相互獨立的狀態(tài),既易于維護,又能更好地保證各模塊之間應(yīng)用邏輯清晰。為提升固定結(jié)構(gòu)機器人的應(yīng)用性能,部分學(xué)者將模塊化設(shè)計的概念引入機器人設(shè)計中,提出了可重構(gòu)模塊機器人的概念。為研究多自由度串聯(lián)機器人的動力學(xué)模型,鄭銀湖等[1]提出基于雙曲正切函數(shù)的工業(yè)機器人滑??刂品椒?。該方法主要是將機器人的滑模控制算法與雙曲正切函數(shù)相結(jié)合,對其進行優(yōu)化,從而在保障其原有不變性和抗擾動性的基礎(chǔ)上大幅削減其輸入信號的抖振,以解決電機沖擊力大的問題。該方法在應(yīng)用的過程中自適應(yīng)能力一般,且對末端的約束力較差。郭文東等[2]提出基于模糊干擾觀測器的自適應(yīng)滑模跟蹤控制方法,基于反演技術(shù)設(shè)計運動控制器和動力控制器,在運動控制器中采用分流技術(shù)克服了軌跡跟蹤初期經(jīng)常存在的速度跳變問題,在動力控制器中將模糊干擾觀測器與自適應(yīng)滑??刂葡嘟Y(jié)合,解決未知擾動對其的影響。該方法在應(yīng)用過程中自適應(yīng)能力較好,但跟蹤性能較差。針對上述問題,本文提出了動態(tài)約束下可重構(gòu)模塊機器人自適應(yīng)滑模控制方法。
在研究機器人滑模控制前,先根據(jù)運動學(xué)原理分析機器人各模塊間的運動學(xué)關(guān)系。通過改變模塊的裝配方式可完成不同機器人的構(gòu)形。一個n自由度可重構(gòu)模塊機器人的幾何構(gòu)形可用下面三維構(gòu)形矩陣R描述:
(1)
式中:On代表第n個可重構(gòu)模塊機器人關(guān)節(jié)模塊的輸出口類型;L0代表可重構(gòu)模塊機器人第一個關(guān)節(jié)模塊和基座模塊的連接方位;Ln代表可重構(gòu)模塊機器人末端工具模塊與第n個關(guān)節(jié)模塊的連接方位;I1,I2,I3代表可重構(gòu)模塊機器人關(guān)節(jié)模塊輸入口的類型;0元素代表占位符。兩個三自由度的可重構(gòu)模塊機器人構(gòu)形及其構(gòu)形矩陣如圖1所示。
圖1 機器人構(gòu)形及構(gòu)形矩陣
通過可重構(gòu)模塊機器人的主要架構(gòu)構(gòu)建兩端坐標(biāo)系[3]?;K與工具模塊的特征函數(shù)為:
B=Trans(0,0,l)
(2)
T=Trans(0,0,l)
(3)
式中:B為基座模塊特征函數(shù);T為工具模塊特征函數(shù);Trans(0,0,l)為調(diào)用函數(shù),即沿x,y,z軸分別移動0,0,l的距離。
在可重構(gòu)模塊機器人關(guān)節(jié)模塊上建立坐標(biāo)系。o為模塊坐標(biāo)系,其z軸與關(guān)節(jié)模塊的旋轉(zhuǎn)軸重合,I[1]和I[2]為輸入口坐標(biāo)系,O[1]和O[2]為輸出口坐標(biāo)系[4]。根據(jù)牛頓-歐拉迭代方程建立動力學(xué)模型,其中一個關(guān)節(jié)模塊的幾何參數(shù)可用下面4個齊次變換矩陣描述:
JI[1],o(0)=Trans(0,0,d)
(4)
(5)
Jo,O[1](0)=Trans(0,0,d)
(6)
(7)
了解每個模塊的幾何參數(shù)以及它們之間的聯(lián)系后,可得到模塊之間的運動學(xué)關(guān)系。n自由度可重構(gòu)模塊化機器人的運動學(xué)關(guān)系可表示為:
(8)
(9)
將式(8)、式(9)相乘,得到可重構(gòu)模塊機器人的運動學(xué)方程:
T0,n+1(q)=T0,1(q1)T0,2(q2)…T0,n(qn)Tn,n+1
(10)
得到機器人各模塊間運動學(xué)方程后,為提高機器人的自適應(yīng)能力,基于等效控制徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計自適應(yīng)滑??刂品椒?。選擇可重構(gòu)模塊機器人滑模面,對其進行控制,跟蹤誤差方程s(t)為:
(11)
式中:λ為位姿誤差控制系數(shù);ec為可重構(gòu)模塊機器人的位姿跟蹤誤差;t為時間。選取2個輸入、N個隱藏單元及2個輸出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入與跟蹤誤差方程相結(jié)合[5],獲得的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出BNN(i)為:
(12)
式中:Wi為網(wǎng)絡(luò)向量;Hi為徑向向量。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定函數(shù)hij表示為
(13)
式中:exp(·)為調(diào)動函數(shù);xi為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第i個輸入節(jié)點函數(shù);cij和σij分別為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第i個輸入的第j個節(jié)點的中心和底部寬度,均大于0。假設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近的最佳值BNN為:
(14)
式中:W1,W2為網(wǎng)絡(luò)向量;H1,H2為徑向向量。則BNN的等效控制變量B1為:
B1=BNN+ε
(15)
(16)
A=βiHiec(i) i=1,2
(17)
式中:βi為學(xué)習(xí)率;ec(i)為可重構(gòu)模塊機器人的位姿跟蹤誤差函數(shù)。為彌補由于網(wǎng)絡(luò)不確定性對系統(tǒng)模型的影響,切換控制規(guī)則,提出一種基于比例控制的自適應(yīng)滑??刂品椒ǎ钥朔W(wǎng)絡(luò)的初始學(xué)習(xí)錯誤,提高系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。
(18)
式中:Bhc為自適應(yīng)控制權(quán)值;kp為比例系數(shù);Bsw為切換的控制系數(shù)。Bsw可表示為:
Bsw=Γsgn(s)
(19)
式中:Γ為滑模控制的增益;sgn(s)為階躍函數(shù)。當(dāng)時間t≥0時,機械手的滑移運動軌跡誤差公式如下:
(20)
速度跟蹤誤差公式為:
(21)
此時,神經(jīng)滑模控制方程B2為:
(22)
在控制過程中,除引入開關(guān)控制以消除錯誤外,還針對抖動,引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對Γ進行調(diào)節(jié)。則RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出Γi為:
(23)
式中:Ai為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)向量;ψi為徑向基向量[7]。由此,徑向基函數(shù)的輸出φij可用下式表示:
j=1,2,…,m
(24)
(25)
(26)
(27)
式中:κi為學(xué)習(xí)率;si為速度跟蹤誤差。由此,可得可重構(gòu)模塊機器人自適應(yīng)滑??刂品匠藼3為:
(28)
為驗證所提控制方法的有效性,對具有兩個自由度的可重構(gòu)模塊機器人進行實驗分析。實驗平臺為MATLAB,被測試的可重構(gòu)模塊機器人實物圖如圖2所示,實驗參數(shù)見表1。
圖2 可重構(gòu)模塊機器人
表1 實驗參數(shù)
選用傳統(tǒng)一階滑??刂品椒ㄗ鳛閷Ρ确椒ǎc本文所提的控制方法進行對比分析,得到應(yīng)用兩種方法后構(gòu)形A位置及力矩模擬曲線如圖3、圖4所示。
結(jié)合圖3、圖4可知,傳統(tǒng)的滑模控制器在初期會出現(xiàn)較大顫動,因此本文采用了一種新的自適應(yīng)滑??刂破?,該控制器不僅可對初值偏差進行補償,還可在較小的時間段中得到預(yù)期的錯誤特性,從而對抖動進行有效抑制。通過對傳統(tǒng)滑??刂破鞯母櫰罘治霰砻?,該控制器具有很好的控制精度,但它無法按照實際情況對控制精度進行調(diào)節(jié),具有很大的周期性偏差;由電動機的輸出扭矩和聯(lián)合估算的扭矩分布可發(fā)現(xiàn),在使用滑??刂破鲿r,電動機的轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)顯著顫動,從而使綜合估算的扭矩出現(xiàn)較大顫動;在應(yīng)用本文所提控制方法后,電機輸出轉(zhuǎn)矩和聯(lián)合估計轉(zhuǎn)矩的抖振明顯減小,達到了理想的控制效果。通過實驗證明,本文方法可對可重構(gòu)模塊機器人的關(guān)節(jié)運動進行良好的跟蹤控制。
圖3 應(yīng)用傳統(tǒng)方法后構(gòu)形A位置、力矩曲線
圖4 應(yīng)用本文方法獲得的構(gòu)形A位置、力矩曲線
在結(jié)構(gòu)B型鉸鏈中,由于外部約束的作用,其關(guān)節(jié)位置和控制扭矩均為零。通過實驗得到應(yīng)用兩種方法后構(gòu)形B位置、力矩模擬曲線的結(jié)果,如圖5、圖6所示。
圖6 采用本文方法獲得的構(gòu)形B位置、力矩曲線
由圖5和6可知,這種滑模控制算法是行之有效的,而且在不改變控制參數(shù)的前提下有較好的適應(yīng)性。
圖5 采用傳統(tǒng)方法獲得的構(gòu)形B位置、力矩曲線
采用本文方法獲得的機器人末端約束力及軌跡追蹤曲線如圖7所示。
圖7 采用本文方法獲得的機器人末端約束力及軌跡跟蹤曲線
由圖7可知,在機器人末端受到外部約束力的情況下,所提出的方法能夠有效實現(xiàn)機器人末端的運動目標(biāo),滿足可重組模塊機器人的可達性要求,取得了較好的控制效果。
可重組模塊機器人是由一組帶有標(biāo)準(zhǔn)連接界面的連桿組件和鉸鏈組件構(gòu)成,能夠根據(jù)不同的工作環(huán)境,迅速裝配出運動參數(shù)不同的機器人。本文針對現(xiàn)有機器人運動控制方法運動軌跡跟蹤性能不佳、自適應(yīng)能力差等問題進行研究,提出了基于動態(tài)約束下可重構(gòu)模塊機器人自適應(yīng)滑??刂品椒?。實驗表明,與傳統(tǒng)控制方法相比,本文方法跟蹤誤差較小,且具有較好的適應(yīng)性,在機器人末端受到外力約束的情況下可有效實現(xiàn)機器人末端運動目標(biāo),具有較好的應(yīng)用效果,可為今后機器人運動控制研究與發(fā)展打下基礎(chǔ)。