基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构及阻抗控制.pdf

第 4 9卷第 l 5期 2 0 1 3 年8 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG V_ol _ 4 9 N o ． 1 5 Au g． 2013 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ， J M E． 2 0 1 3 ． 1 5 ． 0 2 8 基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构 及阻抗控制木 ‘ 刘 昱王 涛 范 伟 北京理工大学自动化学院北京 1 0 0 0 8 1 摘要气动肌肉 P n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r , P MA 是仿生机器人研究的重点，为此，设计一种由气动肌肉群驱动的 3自由度球 关节机器人，并对其进行运动学分析。根据其运动学逆解，提出气动肌肉群位置控制策略；同时，提出基于运动学逆解及能 量最优原则气动肌肉群力控制策略； 设计基于气动肌肉位置群及力群的含位置 P I D内环的阻抗控制器。 试验结果表明，单纯 的位置控制精度比较高，可达 0 ． 3 。 ，但造成输出力矩失控；阻抗控制虽然在一定程度上牺牲了位置控制精度，但可以对输出 力矩进行柔顺控制。 关键词气动肌肉群控策略阻抗控制 中图分类号 T P 2 4 2 M e c h a n i s m a nd I mp e da n c e Co nt r o l o f t h e Ba l l Un i v e r s a l J o i n t Ro b o t Dr i v e n b y t h e Pn e u m a t i c M u s c l e Ac t u a t o r Gr o u p LI U Y Ⅵ NG Ta o R N W le i S c h o o l o f A u t o ma t i o n ， B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 A b s t r a c t P n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r P MA i S t h e r e s e a r c h f o c u s o f b i o n i c r o b o t ． T h e r e f o r e ． a t r i a x i a l - b a l I u n i v c r s a l j o i n t r o b o t d r i v e n b y t h e P MA g r o u p i s d e s i g n e d ． Th e k i n e ma t i c s o f the r o b o t i s a n a l y s e d ． On the b a s i s o f i t s k i n e ma ti c s a n a l y s i s ， the p o s i t i o n c o n t r o l s t r a t e g y o f the P MA g r o u p i s p r o p o s e d ． Base d o n the kin e ma t i c s a n a l y s i s a n d the e n e r gy s a v i n g p r i n c i p l e ， the c o n t a c t f o r c e c o n t r o l s tra t e g y o f the P MA gro u p i s p r o p o s e d ． An i mp e d anc e c o n tro l s c h e me wi m i n n e r p o s i tio n P I D l o o p i s d e s i gn e d f o r t h e P MA g r o u p ． Re s u l t s s h o w tha t u n d e r p o s i t i o n c o n tr o l o n l y , t h e c o n t r o l a c c u r a c y i s h i g h e r tha n i mp e d a n c e c o n t r o l a n d the s t e a d y e r r o r i s l e s s tha n 0 ． 3 。 ， h o we v e r , the c o n t a c t f o r c e i s o u t o f c o n t r o 1 ． I mp e d a n c e c o n tr o l s a c r i fi c e s a c e r t a i n d e g r e e o f p o s i ti o n c o n t r o l a c c u r a c y b u t C an r e a l i z e c o mp l i an t c o n t r o l o f c o n t a c t f o r c e ． Ke y wo r d s P n e um a ti c mu s c l e a c tu a t o r Gr o u p c o n tr o l s tra t e gy I mp e d a n c e c o n tr o 1 0 前言 气动肌 肉 P n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r ,P MA 是 一 种仿生驱动器 。它的 “ 力一 收缩”特性与人类肌 肉 非常类似，具有柔顺性好、输出力与重力比大等特 点，其轴 向收缩率大 2 5 ％3 0 ％ P MA通常被用于 仿生机器人的关节驱动 J 。文献[ 2 】 开展 了气动肌 肉 驱动特性试验和基于 B P网络的位置跟踪控制。文 献【 3 ． 4 】 使用 了自组织模糊 P I D控制 、基于小脑模型 国家 自然科学基金资助项 目f 5 0 4 7 5 1 6 3 。 2 0 1 2 0 8 0 9收到初稿， 2 0 1 3 0 5 2 8 收到修改稿 关节控制器 C e r e b e l l a r mo d e l a r t i c u l a t i o n c o n t r o l l e r , C MAC 的变结构控制，位置精度达到 0 ． 3 I n l T l 。文 献[ 5 ] 采用力／ 位置复合控制对气动肌 肉驱动并联机 器人进行控制。文献[ 6 ] 对传统气动肌 肉结构进行改 进并对单支气动肌肉进行 了阻抗控制。目前，针对 气动肌 肉的被动柔顺研 究比较多，主动柔顺研究较 少 ，且主要集中于针对单支气动肌 肉的柔顺研究。 气动肌肉驱动机器人末端在约束环境中运动时，为 克服输 出力的柔顺要求和对位置伺服精度要求之间 的矛盾 ，需要通过阻抗控制来协调 。文献[ 7 ] 采用奇 异摄动方法来研究冗余柔性关节机器人的笛卡尔阻 抗控制。文献[ 8 ] 研究通过关节刚度调节来改善主动 柔顺性。目前，阻抗控制研究是热点，主要有反步 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 8月 刘昱等基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构及阻抗控制 3 1 由于 P MA安装位置不同， 各支 P MA 的方向矢 量 口 f 线性无关，则对于任意三支 P MA，一定存在 矢量产 ， ， ，使得式 7 成立 T f lo ； 厂 2 7 式中，f ， J ， k分别为三支 P MA编号 。 遍历所有 P MA，满足式 7 的 P MA 组合共有 C。 种 。考虑到柔索仅能产生收缩力及能量最优原 则 ，对矢量 增加如式 8 所示约束 0 0 0 m i n f 8 满足式 8 的一组 P MA 即为需要进行力控制的 P MA。对该组 P MA，为方便说明，改令 ． 一 。 ， 一 印 ， 唧 。 假设拉力传感器检测出机器人输出力为 F，则 可计算出当前机器人输出力矩 Te l ／ 9 令 唧 唧 一 唧 Ilr ll／ r ll ， 其 中 ， i 1 ， 2 ， 3 ，并将 6 f作为相应 P MA 的阻抗函数 的输入 。在 实 际的计算当中， 印的取值还要结合 P MA的力输 出特性，需要满足 P MA的力输出范 围。 3 基于群控策略的阻抗控制 3 ． 1 阻抗控制 将外界环境等效为弹性系统，则机器人末端输 出力 即末端与外界 的接触力 ‰ 式 中， u t 为接触力， 为环境刚度 ，X为机器人末 端位置，X l 为初始环境位置 。 阻抗控制的本质是在位置控制 的基础上，将力 的偏差转为位置 的修正值，由于 P MA 自身的强非 线性 以及各 P MA 之 间存在耦合，机器人的动力学 模型难以精确获得，因此本文选用基于未知的阻抗 控制 。基于位置的阻抗控制如图 6所示 。 图 6中，F ， 为接触力的期望值 ， 为位置的期 图 6 阻抗控制原理 望 ， 为修 正后 的位置期望平衡 点。定义接触力 误差 F e ‰ 一 F r 1 0 阻抗控制就是对 与 建立阻抗关系 ，将可 用一个典型的二阶阻尼一 弹簧系统建立其关系 ％ k c X o F e 1 1 式 中，m。 ，b 和 分别为接触区域的广义惯性 、广 义阻尼和广义刚度参数 。做拉 氏变换后可得频域内 阻抗关系为 m ～ X a S 1 2 通 过对式 1 2 做频谱分析可知 ，要实现机器人 末端从 自由空间到约束空间的稳定过渡 ，阻抗参数 需要满足 kk e ／ 1 ／ 2 √ ≥ 0 ． 5 4 1 k 一 1 1 3 式 中， 为阻尼 比；k为刚度 比。为实现接触过程 的稳定，接触区刚度应远小于环境刚度 ，广义阻尼 需要足 够大 。当机器人末 端和环境接触稳定后 ， 拗 ， 0，根据式 9 、 1 0 可知 一 一 k e X一 一 1 4 机器人末端实际位置为 十k e x t ／ k o 1 5 3 ． 2 基于群控策略的阻抗控制 为保证控制 的时效性 ，位 置控制器采用增量 P I D 控制算法 ，只有在输 出力接近期望值后，才开 始对位置给定进行修正。令 。 △ f f ，其中，i 1 ～ 1 6 。眦 t A f ． o p ，其中，i 1 ～3 。 根据 P MA 的安装位置，一共设置 3个位置控 制器 ，基于群控策略的阻抗控制原理 图见图 7 。 图 7 基于群控策略 的阻抗控制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 机械工程学报 第 4 9卷第 1 5期 4 试验研究 试验选用 日本 S MC公司生产的 I T V 0 0 5 0型比 例阀对 P MA充气，最大输 出压力为 0 ． 6 MP a ；陀螺 仪型号为 L C G 5 0 ，量程为 2 5 0 。 ／ s ，精度 0 ． 5 ％F ． S 。 拉力传感器采用 B K- 2 AS ，量程 1 0 0 N，精度 0 ． 2 ％ F ． s 。机器人期望位姿为与三轴夹角分别为 2 5 。 。阶 跃期望输出力矩为 5 N m；正弦幅值 4 N m，频率 0 ． 4H z 。试验结果如图 8所示。 暴 b 轴夹角 8 6 孚 堇 4 R 2 ● ，_●-_一 ， ， ● 一 - ● 一 -一 位置控制 ．- ⋯ 盯 L 雨 l l 一 ●7W一 望 ‘ I I l O 1 2 3 4 5 时间 ／ S d 力矩阶跃 一． 阻抗控制 时间 ／ S e 力矩正弦 图8 控制曲线 g Z 从 图 8可看出， 单纯的位置控制位置精度较高， 可达 0 ． 3 。 ，调节时间 1 ． 5 S ，但造成输 出力矩失控。 由于基于位置的阻抗控制器 中目标动力学模型不能 精确地替代实际系统的动力学模型，从而造成阻抗 控制的位置精度较单纯位置控制而言较差 ，但可对 输 出力矩进行控 制 ，阶跃 响应稳 态误差 小于 0 ． 5 N m， 实际输出力矩最终收敛于 4 ． 8 N m； 正弦跟踪 误差小于 1 N m。因此，阻抗控制牺牲了一定的位 置控制精度 以实现力与位置的协调控制。 5 结论 1 基于 P MA群驱动机器人的运动学逆解 ， 位 置群控策略可有效地对机器人位姿进行控制 。 2 在位置群控 的基础上 ，基于运动学逆解及 能量最优原则提出的力群控策略可合理地分配机器 人各驱动器的控制量，最终实现输出力控制 。 3 对比常规的位置控制 ，基于 P I D 位置控制 器 内环的阻抗控制虽会 降低位置控制精度 ，但能使 机器人输 出力可控 。 未来需要进一步完善的工作 阻抗控制是该研 究的核心，通过引入合理的参数调整机制进一步改 善系统性能，提高控制精度 。 参考文献 [ 1 】隋立明，王祖温，包钢．气动肌肉与生物肌肉的力学特 性对 比研究【 J 】 ．机床与液压，2 0 0 4 ，3 6 6 2 2 - 2 4 ． S UI Li mi n g ， WANG Z u we n， BAO Ga n g ． A c o mp a r i s o n o f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p n e u ma t i c mu s c l e wi t h b i o l o g i c a l mu s c l e [ J ] ． Ma c h i n e T o o l H y d r a u l i c ，2 0 0 4 ， 3 6 6 2 2 - 2 4 ． [ 2 】高建英，彭光正，范伟，等．基于 B P网络的气动人工 肌肉位置跟踪的研究[ J 】 ．液压与气动，2 0 0 4 ，2 8 5 5 ． 7 GAO J i an y i n g，P E NG Gu ang z h e n g ，F AN We i ，e t a 1 ． 7 6 5 4 3 2 l 一 山． ＼ R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 8月 刘昱等基于气动肌肉群驱动球关节机器人结构及阻抗控制 3 3 Re s e a r c h o n t h e p o s i ti o n t r a c k o f p n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r b a s e d o n B P n e u r a l n e t wo r k [ J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s a n d P n e u ma t i c s ，2 0 0 4 ，2 8 5 5 - 7 ． [ 3 ]范伟， 彭光正，高建英．带修正因子的自组织模糊 P I D 控制在气动人工肌肉位置控制中的应用[ J ] ．液压与气 动 ，2 0 0 3 9 3 0 3 3 ． F AN W e i ， P ENG Gu a n g z h e n g ， GAO J i an y i n g ． A s e l f - mo d i fi e d f u z z y - P I D c o n tr o l l e r o f p n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r p o s i t i o n s e r v o s y s t e m[ J ] ． C h i n e s e H y dra u l i c s a n d P n e um a t i c s ，2 0 0 3 9 3 0 3 3 ． [ 4 ]杨钢，李宝仁． 基于 C MA C 的气动人工肌肉变结构位 置控制研究[ J ] ．机械工程学报，2 0 0 4 ，4 0 1 0 9 2 ． 9 5 ． Y ANG Gan g，L I Ba o r e n ． CM AC- b a s e d v a r i a b l e s t r u c t u r e p o s i ti o n c o n tr o l o f a p n e um a t i c mu s c l e a c tua t o r s y s t e m[ J ] ． Ch i n e s e J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， 2 0 0 4， 4 0 1 0 9 2 - 9 5 ． [ 5 】范伟，彭光正，高建英，等．气动人工肌肉驱动球面并 联机器人的力控制研 究[ J ] ．机器人 ，2 0 0 4 ，2 6 4 3 3 6 ． 3 4 1 ． ’ F AN We i ，P ENG Gu a n g z h e n g ， GAO J i a n y ing，e t a 1 ． S tud y o n t h e f o r c e c o n t r o l o f a s p h e r i c a l p a r a l l e l r o b o t a c t u a t e d b y p n e u ma t i c mu s c l e a c tua t o r s [ J ] ． R o b o t ，2 0 0 4 ， 2 6 4 3 3 6 3 4 1 ． [ 6 】金英连，王斌锐，吴善强，等．形状记忆合金丝编织网 气动肌肉机构及其阻抗控制[ J ] ．控制与决策，2 0 1 1 ， 2 6 1 0 1 5 7 7 - 1 5 8 0 ． J I N Yi n g l i an ，WANG Bi n r u i ，WU S h anq i ang，e t a 1 ． Me c h a n i s m and i mp e d a n c e c o n t r o l o f p n e um a t i c mu s c l e w i th s h a p e me mo r y a l l o y b r a i d e d s l e e v e [ J ] ． C o n tr o l and D e c i s i o n ，2 0 1 1 ，2 6 1 0 1 5 7 7 1 5 8 0 ． [ 7 ]A L I N A S ， C H R I S T I A N 0， U DO F C a r t e s i a n i mp e d a n c e c o n t r o l o f r e d u n d a n t r o b o t s Re c e n t r e s u l t s wi th the D L R - l i g h t - we i g h t - a r ms [ C ] P r o c ． o f 2 0 0 3 I E E E I n t ． C o n e o n Ro b o t i c s an d Au t o ma t i o n， T a i p e i ， Ch i n a ．2 0 0 3 3 70 4 3 70 9． [ 8 】C HOI T Y，C HO I B S ，L E E J J ． Mani p u l a t o r o p e r a ti o n u s ing j o i n t s t i ffia e s s a d j u s ti n g b y p n e u mi c mu s c l e s [ C ] ／ ／ I E EE 2 0 0 8 Co n e o n Hum an S y s t e m I n t e r a c t i o n s ，Kr a k o w． 2 0 0 8 4 3 4 ． 4 3 9 ． [ 9 】熊根良，刘伊威，黄剑斌． 基于 D S P ／ F P G A 的反步法 阻抗控制柔性关节机械臂[ J ] ．控制与决策 ，2 0 0 9 ， 2 4 8 1 1 3 7 一 l 1 4 2 ． XI ONG Ge n l i a n g， LI U Yi we i ，HUANG J i a n b i n ． Ba c k s t e p p i n g i mp e d a n c e c o n tr o l f l e x i b l e j o i n t mani p u l a t o r s u s i n g DS P ／ F P G A s t r u c t u r e [ J ] ．C o n t r o l and De c i s i o n ， 2 0 0 9 ，2 4 8 1 1 3 7 1 1 4 2 ． [ 1 0 】高秀来，于恩华． 人体解剖学[ M】 ．北京北京大学医 学出版社 ，2 0 0 3 ． G AO Xi u l a i ，YU E n h u a ． H u ma n a n a t o my [ M] ． B e i j i n g P e k i n g Un i v e r s i t y M e d i c a l P r e s s ， 2 0 0 3 ． [ 1 1 】刘昱，王涛，范伟．气动肌肉群驱动球关节机器人的无 模型 自适应控制[ J 】 ．机器人，2 0 1 3 ，3 5 2 1 2 9 - 1 3 4 ． L I U Y u， W ANG T a o， F AN W e i ．M o d e l f r e e a d a p ti v e c o n t r o l f o r the b a l l - j o i n t r o b o t d ri v e n b y P MA- g r o u p [ J ] ． R o b o t ，2 0 1 3 ，3 5 2 1 2 9 - 1 3 4 ． 【 1 2 ]叶正茂，赵慧，张尚盈，等． 基于位置内环的柔顺力控 制的研究【 J ] ． 控制与决策，2 0 0 6 ，2 1 6 6 5 1 ． 6 5 5 ． YE Zh e n g ma o， Z HAO Hu i ， ZHANG S h a n g y i n g ．On c o mp l i a n t f o r c e c o n tr o l b a s e d o n i n n e r p o s i t i o n l o o p [ J ] ． C o n tr o l and De c i s i o n ，2 0 0 6 ，2 1 6 6 5 1 - 6 5 5 ． 作者简介刘昱，男，1 9 8 3年出生，博士研究生。主要研究方向为新型 驱动器 、仿生机构。 E ma i l l i u y u b i t ． e d u ． c n 王涛 通信作者 ，男，1 9 7 1 年出生，博士，副研究员，硕士研究生导师。 主要研究方向为检测技术和运动伺服控制。 E ma i l wa n g t a o b i t b i t ．e d u ． c n 范伟，男，1 9 7 4年出生 ，博士 ，副教授，硕士研究生导师。主要研究方 向为基于气动技术的检测技术与 自动化装景。 E ma i l f a n we i b i t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m