多傳感器的關節故障檢測及容錯策略

倪風雷，劉伊威，鄒繼斌，劉 宏

(1.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，150080哈爾濱，hit-lfn2002@yahoo.com.cn; 2.哈爾濱工業大學電氣工程博士后流動站，150080哈爾濱)

空間機械臂是機、電、熱、控一體化的高集成度空間機電系統.隨著空間技術的飛速發展，空間機械臂作為在軌支持、服務的一項關鍵性技術已經進入太空.由于空間惡劣環境的影響，如高低溫、噪聲、電磁干擾、空間粒子輻射、振動以及空間環境化學污染等，即使一個阻容元件的故障，也會使整個機械臂無法完成預定任務，造成巨大的經濟損失，因此，需建立具有容錯功能的關節伺服控制系統，如加拿大機械臂［1-2］和ETS-VII機械臂［3］等.故障檢測是關節容錯控制的基礎，目前，關節故障檢測算法可分為兩大類:第一類是基于操作器的動力學模型［4-6］，第二類是基于冗余的傳感器信息［7-8］.為了減輕關節的質量，HIT機械臂在關節內部集成了諧波減速器等部件，導致關節的動力學模型難以準確地建立;而且空間環境晝夜溫差變化較大，對模型中的參數影響很大.基于上述兩個原因，HIT空間機械臂采用基于傳感器的故障檢測算法，文獻［9］中，采用期望位置信息和實際關節角度信息相比較的方案檢測關節的故障，然而閾值的選取非常困難，無法滿足關節在低速和高速運行時均可快速地檢測關節出現的故障，文獻［8］用二維模糊控制器實現了閾值的自動調整，但算法復雜.

本文建立了基于多傳感器信息的系統故障檢測方法，并改進了閾值自動調整策略，保證關節在低速和高速運行時，可快速地檢測關節出現的故障.

1 關節系統描述

1.1 結構系統設計

為了減輕關節的質量，提高關節的輸出力矩，便于關節內部走線，關節采用大中心孔的電機加諧波減速器的結構.電機采用定子、轉子分離的無刷直流電機，諧波減速器采用軸向長度小、質量輕Harmonic Drive公司的產品.具體的關節機械結構模型如圖1所示.

圖1 機械臂關節的三維模型

1.2 傳感器系統設計

為了克服關節的柔性，增加關節的感知能力和可靠性，關節內集成了多種傳感器，如表1所示.為了保護關節的結構，測量每個關節受到的扭矩，每個關節都集成了基于應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.由應變片測量彈性體軸向梁的變形，采用4組應變片可有效地補償切向力引起變形的影響［10］.

表1 關節使用的傳感器

由于關節采用諧波減速結構，存在柔性和滯回現象，電機角度的變化不能反映關節角度的變化，因此需要絕對的關節角度傳感器.為了減輕關節的質量，提高關節傳感器系統的集成度，采用電位計實現關節絕對位置的測量，如圖2(b)所示.為了提高系統的集成度和傳感器信號的質量，將信號調理電路和傳感器本體進行一體化設計，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.

為了提高電機驅動系統的可靠性，采用數字霍爾和磁式編碼器測量電機位置信息，采用取樣電阻實現電機母線相電流的測量，同時，采用了多個溫度傳感器監測系統的溫度.

圖2 關節內部主要的傳感器

1.3 驅動系統設計

關節硬件結構如圖3所示，設計的關節驅動控制系統將在空間惡劣的環境中工作，提高系統的可靠性非常必要.

為提高系統的可靠性，一般采用三模冗余的設計方法.然而由于機械臂質量、功耗、體積的限制，關節控制器系統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，電機驅動、電源等為單模方式，兩套控制系統可工作在冷熱備份2種狀態下.冷備份狀態，主控制器FPGA可關掉從控制器FPGA系統的電源，減少系統功耗;而在熱備份狀態下，2套FPGA控制系統并行工作，從控制器FPGA通過同步串行通訊接口監控主控制器FPGA的工作狀態，當檢測到主控制器FPGA出現故障時，從控制器FPGA將通過仲裁電路奪取主控制器FPGA的控制權，提升為主控制器.為了提高通訊系統的可靠性，采用2套冗余的CAN總線通訊單元，實現關節控制器與中央控制器的通訊.

1.4 關節伺服系統設計

機械臂是6自由度關節串聯式機器人，其運行速度較慢，對關節速度精度沒有特殊要求，對機械臂末端定位精度要求較高，因此關節控制采用位置閉環伺服控制方式.為了補償機械臂運動時關節間產生的干擾，利用關節力矩傳感器信息進行補償，但這種方法不能補償電機轉子的動力學效應，因此，在電機內部加入了快速電流環進行調節［9，11］，整個關節的位置伺服系統控制框圖如圖4所示.

圖3 關節控制器結構

圖4 關節位置伺服系統控制框圖

2 關節故障診斷及容錯策略

機械臂采用分布式控制策略，由中央控制器負責笛卡爾空間的軌跡規劃、動力學計算，關節控制器實現關節空間的傳感器信息采集、電機驅動、位置控制、故障檢測等功能.關節容錯控制系統的框圖如圖5所示，關節控制器和中央控制器之間的通訊周期為250 ms，因此，需要在關節空間內將中央控制器規劃的期望位置信息進行再次規劃，產生2 ms控制周期所需的期望位置和速度信息，并根據電機和關節處傳感器信息實現關節內部故障的檢測.建立關節故障樹的數據庫，根據故障樹的信息啟動相應的容錯策略，控制關節運行，保證關節系統可靠工作.

圖5 關節容錯系統

2.1 故障樹建立

每個關節都是由機械部件、電氣部件以及熱控部件等組成.關節的故障樹如圖6所示，機械部件如電機、諧波減速器、軸承等出現故障，將導致關節無法正常工作;電氣系統部件如電源板、電機驅動板和FPGA控制板出現故障，也將導致關節無法正常工作，需要采用可靠性高的元件和部件.為了提高傳感器系統的可靠性，傳感器采用冗余設計，如電機位置反饋的數字霍爾和磁編碼器;關節使用的電位計和限位開關等.

通過H公司的13位專家對本公司的電網項目進行綜合風險體系中的盈能力進行綜合打分評判，得到了9份有效的答卷，通過總結發現，在9份有效答卷中其中有一份的評價為風險極小，有5份評價為風險小，而有3份為風險一般，并且通過最后對H公司此項電網項目的經濟風險最后評估得分以及其他一系列的數學計算得出，H公司的此項電網項目的經濟風險評估分數較低，且此電網項目的風險級別屬于風險小的級別。

圖6 關節故障樹

2.2 關節容錯策略

從關節的故障樹模型可知，關節出現的故障可以分為兩類:一類是臨時性故障;一類是永久性故障.臨時性故障可以通過硬件線路設計和FPGA軟件程序設計加以克服.例如，FPGA內部三模冗余的程序設計可以克服單粒子翻轉事件的影響;設計的電源電路可以克服單粒子鎖定事件產生的錯誤.然而對永久性故障，根據故障的特點，如電機、諧波減速器、軸承、以及關節線路板等出現故障，將導致關節無法工作，此時機械臂只有降級使用，重新規劃運動路徑，減少工作空間;而當關節力矩傳感器或電機電流傳感器出現故障時，對系統運動精度沒有影響，只是會造成關節力矩出現波動;當磁式編碼器出現故障時，只有采用數字霍爾進行降級使用;當關節電位計出現故障時，可以采用電子限位開關進行替代;當電位計和限位開關均出現故障時，采用電機位置信息進行替代

2.3 關節故障檢測

文獻［7］中故障檢測算法僅是采用了期望位置與實際關節角度信息進行比較，這種方法無法準確地判斷是期望位置故障，還是關節角度傳感器故障，因此本文改進了這種方法，即不僅比較期望的位置與實際的傳感器位置信息，而且傳感器信息之間也進行比較，同時限制了期望角度的變化，防止期望角度信息突變，導致關節異常運動.

關節故障檢測算法為:

式中:θdesired為期望的關節角度信息為期望的關節角速度信息;θsensor為關節電位計傳感器信息;θthrsh為相差的角度閾值為關節限制的最大速度;θsensor1、θsensor2為數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，導致發現傳感器故障的時間變長，閾值太小，導致傳感器誤動作，因此，為了滿足關節在低速、高速運行時，診斷關節是否故障，文獻［8］采用了兩維模糊控制器進行閾值調整，然而算法復雜.本文對其進行改進，設計了一維模糊控制器，實現閾值θthrsh的自動調整，其輸入為期望的關節速度信息，輸出為調整的閾值θthrsh.關節的速度范圍為-5～5(°)/s(電機的速度范圍為-800～800(°)/s)，經過線性變換映射到模糊論域為［-3，3］，其經模糊化后采用5個模糊變量進行描述:θ·desired=［NB，NS，ZE，PS，PB］，即［負大、負小、零、正小、正大］，輸出變量θthrsh論域為［0，3］，采用3個模糊變量進行描述，即θthrsh=［ZE，PS，PB］，控制規則采用下面的3條語句描述:

表2 模糊控制規則表

3 實驗

為了驗證設計的故障檢測算法，進行了下面的實驗:電機在正常工作狀態下，采用磁編碼器測量電機位置信息，進行正弦驅動;當利用提出的故障檢測算法檢測到磁編碼器故障時，采用數字霍爾傳感器返回電機位置信息，電機的驅動方式改為方波驅動.實驗平臺采用集成數字霍爾和磁編碼器的電機，在電機正常運行之后，為了模擬磁編碼器出現故障，人為地將磁編碼器輸出信號切斷，觀測電機是否仍然能夠運行;同時，為了驗證本文提出閾值自動調整策略，對電機進行了高速和低速2種測試，并與采用固定閾值方式進行比較，實驗曲線如圖7所示.從圖7可見:當控制器檢測出磁編碼器出現故障后，仍然可以利用數字霍爾信息實現電機驅動;在電機速度較高情況下(960(°)/s)，與固定閾值的調整時間和改進算法的調整時間相當，約28 ms，如圖7(a)、7(b)所示;當電機運行在240(°)/s時，采用固定閾值的算法將在120 ms內診斷出傳感器故障，時間較長，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，但仍然可保證電機正常運行.

4 結論

1)本文闡述了哈工大機器人研究所研制的空間機械臂關節結構、傳感、驅動、伺服控制單元的設計.建立了關節故障樹的模型，并基于多傳感器信息，改進了關節故障檢測算法，設計了閾值自動調整規則.

2)采用該故障檢測算法可以快速、準確地檢測關節的故障，保證關節平穩可靠地運行.

圖7 控制曲線

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