基于Matlab的特種機(jī)器人力控制仿真研究

張 強李康舉,趙 元

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，沈陽 110168；2.沈陽工學(xué)院，撫順 113122）

基于Matlab的特種機(jī)器人力控制仿真研究

張 強1李康舉1,2趙 元2

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，沈陽 110168；2.沈陽工學(xué)院，撫順 113122）

針對五自由度特種機(jī)器人在目標(biāo)捕獲過程中的應(yīng)用，為提高機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置精度，本文采用阻抗控制研究方法對特種機(jī)器人進(jìn)行力控制研究。基于MATLAB/Simulink建立阻抗控制仿真模型，進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，采用阻抗控制方法可以補償機(jī)器人手臂位置控制的誤差，從而保證機(jī)器人手臂對目標(biāo)的捕獲精度。

特種機(jī)器人 位置精度 力控制 阻抗控制

引言

空間機(jī)器人手臂是一個復(fù)雜的串聯(lián)系統(tǒng)，各關(guān)節(jié)、連桿在運動過程中存在相互藕合的動力學(xué)影響。機(jī)器人手臂的控制技術(shù)主要解決機(jī)器人手臂的多體協(xié)調(diào)控制，保證空間機(jī)器人手臂在任務(wù)階段運動的平穩(wěn)性及接觸操作的準(zhǔn)確性和安全性。由于機(jī)器人手臂自由運動的定位精度有限，需加入相應(yīng)的力學(xué)反饋信號作進(jìn)一步精確控制，從而提高操作精度。

從機(jī)器人實現(xiàn)依從運動的特點來看，一般可歸結(jié)為四大類：阻抗控制、力/位混合控制、自適應(yīng)控制和智能控制。本文將采用阻抗控制方法對特種機(jī)器人進(jìn)行力控制研究。阻抗控制的特點是不直接對機(jī)器人與環(huán)境的作用力進(jìn)行控制，而是根據(jù)機(jī)器人末端的作用力和位置(或速度)之間的關(guān)系，通過調(diào)整反饋位置誤差、剛度或速度誤差來達(dá)到控制力的目的，此時，接觸過程的彈性變形尤為重要，因此，狹義地稱為柔順性控制。這類力控制主要基于位置和速度兩種基本形式。當(dāng)把力反饋信號轉(zhuǎn)換成位置調(diào)整量時，這種力控制叫做剛度控制；當(dāng)把力反饋信號轉(zhuǎn)換成速度修正量時，這種力控制叫做阻尼控制；當(dāng)把力反饋信號同時轉(zhuǎn)換為速度和位置的修正量時，叫做阻抗控制[1]。

1 特種機(jī)器人結(jié)構(gòu)及仿真模型

五自由度特種機(jī)器人由五個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，分別為腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 5-DOC特種機(jī)器人

其中，大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在同一平面內(nèi)運動，其運動具有連續(xù)性、相關(guān)性等（即關(guān)節(jié)2，3，4）。本文將五自由度特種機(jī)器人簡化為三自由度機(jī)構(gòu)，了解其動力特性，并在此狀態(tài)下進(jìn)行動力學(xué)分析及仿真研究[2]。

圖2 平面三自由度機(jī)械臂

如圖2所示，關(guān)節(jié)C處的坐標(biāo)xcyc的幾何關(guān)系為：

由式（1）可求出雅可比矩陣為：

采用拉格朗日方法建立該平面機(jī)器人動力學(xué)方程為式（2）：

其中，D(q)為正定的慣性矩陣；H(q,q.)為離心力和科氏力矢量；G(q)為重力矢量，q為關(guān)節(jié)位置；τ為關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩；J為雅可比矩陣，F(xiàn)為手臂末端受到的外力[3-4]。

機(jī)器人的阻抗控制可用式（3）表示：

式（3）中，M，B，K分別為機(jī)械手目標(biāo)慣性矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣，dX=Xd-X表示手臂目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的位移。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)控制，采用如式（4）的控制規(guī)律[5-7]：

阻抗控制算法控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 阻抗控制框圖

2 Matlab/Simulink仿真模型

機(jī)器人手臂在接觸到物體前為自由運動空間，此時，手臂末端與環(huán)境接觸力F=0，阻抗參數(shù)選取為：目標(biāo)慣性矩陣：M=I；阻尼矩陣：

圖4 阻抗控制框圖

機(jī)械手末端x方向位置跟蹤情況如圖5所示。

圖5 x方向位置跟蹤

機(jī)械手末端y方向位置跟蹤情況如圖6所示。

機(jī)械手臂末端的軌跡如圖7所示。

3 結(jié)語

為保證特種機(jī)器人在工作過程中末端執(zhí)行器的位置精度，本文初步對五自由度特種機(jī)器人進(jìn)行力控制的研究。通過采用對機(jī)器人自由度簡化和阻抗控制的方法，使特種機(jī)器人的末端運動軌跡能有較高精度的跟蹤期望軌跡。基于Matlab/Simulink模塊，建立該機(jī)器人力控制仿真模型，仿真結(jié)果表明，本文采用的阻抗控制方法有效補償了機(jī)器人手臂末端的位置誤差，從而保證特種機(jī)器人手臂對目標(biāo)的捕獲精度。

圖6 y方向位置跟蹤

圖7 末端運動軌跡

[1]陳歡龍，王盈，鄒懷武，等.基于阻抗控制的空間機(jī)械臂目標(biāo)捕獲技術(shù)研究[J].載人航，2014，（2）：122-126.

[2]張立峰.三自由度水下機(jī)械手本體機(jī)構(gòu)及阻抗控制研究[D].南京：東南大學(xué)，2008.

[3]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.

[4]譚海強，熊慶宇，石欣，等.基于Matlab機(jī)器人力控制系統(tǒng)仿真研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2014,（12）：242-246.

[5]John J.Craig.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6]李二超，李戰(zhàn)明，李煒.基于Matlab / Simulink機(jī)器人力控制系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2011，（9）：108-110.

[7]張磊.基于阻抗控制的空間機(jī)械臂輔助對接研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[8]楊振.基于阻抗控制的機(jī)器人柔性力控制方法研究[D].南京：東南大學(xué)，2008.

[9]張德峰.Matlab/Simulink建模與仿真實例精講[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[10]劉金琨.機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與Matlab仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[11]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

Simulation Research of Force Control for Special Robots Based on Matlab

ZHANG Qiang1,LI Kangju1.2,ZHAO Yuan2
(1.Shenyang Ligong University, Shenyang 110159；2.ShenyangInstitute of Technology, FuShun 113122)

For the application of 5-DOF spe cial robots i n the target acquisition process, t o improve the position precision of the robot end ac tuator, the article adopt the method of impedance control for special robot force control. The si mulation model of impedance control was es tablished based on Matlab/Simulink，and then the simulation carried on. Simulation results show that impedance control method which the article adopted can compensate the robot arm’s position error, accordingly ensuring the accuracy of the robot arm to capture the target.

special robot, location accuracy, im pedance control