基于Matlab的特種機器人力控制仿真研究

張 強李康舉,趙 元

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

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

特種機器人 位置精度 力控制 阻抗控制

引言

空間機器人手臂是一個復(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。機器人手臂的控制技術(shù)主要解決機器人手臂的多體協(xié)調(diào)控制，保證空間機器人手臂在任務(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)反饋信號作進一步精確控制，從而提高操作精度。

從機器人實現(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器人進行力控制研究。阻抗控制的特點是不直接對機器人與環(huán)境的作用力進行控制，而是根據(jù)機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 特種機器人結(jié)構(gòu)及仿真模型

五自由度特種機器人由五個旋轉(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器人簡化為三自由度機構(gòu)，了解其動力特性，并在此狀態(tài)下進行動力學(xué)分析及仿真研究[2]。

圖2 平面三自由度機械臂

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]。

機器人的阻抗控制可用式（3）表示：

式（3）中，M，B，K分別為機械手目標(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

機械手末端y方向位置跟蹤情況如圖6所示。

機械手臂末端的軌跡如圖7所示。

3 結(jié)語

為保證特種機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器人進行力控制的研究。通過采用對機器人自由度簡化和阻抗控制的方法，使特種機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器人手臂末端的位置誤差，從而保證特種機器人手臂對目標(biāo)的捕獲精度。

圖6 y方向位置跟蹤

圖7 末端運動軌跡

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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