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1、2008年4月枣庄学院学报Apr.2008第25卷第2期JOURNALOFZAOZHUANGUNIVERSITYVo.l25NO.2机器人阻抗控制算法的参数调整研究*杨振(枣庄学院计算机科学系,山东枣庄277160)[摘要]机器人的阻抗控制策略是目前工业机器人的主要控制方法之一,其主要特点是可以使机械手快速准确的运动到指定位置,控制精度比较高;该控制策略可以通过调整目标阻抗参数使机械手在接触不同的外界环境时达到顺应环境的目标,但在实际运用中阻抗参数的调整原则一直是比较困难的问题,本文通过仿真实验总结了调参规
2、律.[关键词]机器人;阻抗控制;阻抗参数[中图分类号]TP242.2[文献标识码]A[文章编号]1004-7077(2008)02-0089-050前言[1][2][3]目前,机器人的力/位控制存在多种策略,Hogan提出的阻抗控制算法就是其中之一.阻抗控制的特点是不直接控制机器人与环境的作用力,而是根据机器人端部的位置(或速度)和端部作用力之间的关系,通过调整反馈位置误差、速度误差或刚度来达到控制力的目的,此时接触过程的弹性变形尤为重要,因此也有人狭义地称为柔顺性控制.[4]此中以Whitney,Sali
3、sbury,Hogan,SeulJung等人的工作具有代表性.针对不同的环境情况,通过合理的调节阻抗参数能顺应不同的工作任务是其首要目标.但迄今为止对于控制过程中阻抗参数的合理调整规则一直是操作者难以把握的问题,本文初步总结了调参规律.1Hogan阻抗控制算法模型当机械手末端与环境接触时手臂动力学方程可表示为:TD(H)&H+hH(H,HÛ)=S+JF其中h(H,HÛ)=C(H,HÛ)HÛ+g(H)ext上式H中为关节角矢量,D(H)为惯性矩阵,hH(H,HÛ)为包括离心、哥氏、重力和磨擦引起非线性关节力矩
4、,J为雅可比矩阵,Fext为作用在手臂末端的外力.机械手的目标阻抗可由下式表示:MdX&+BdXÛ+KdX=Fext式中,M,B,K分别为机器人手臂的目标惯性、阻尼和刚度矩阵,dX=X-X表示手臂目标位置和当前位置之间的位移.阻抗控制算法的控d制结构图如图1所示,为实现上述目标阻抗,应采用如下的控制规律:-1-1T-1-1S=D(H)J[X&d-M(BdXÛ+KdX)-ÛJHÛ]-(J-D(H)JM)Fext+h(H,HÛ)2仿真实验研究考虑到实际装配线上机械手手臂腕部需安装腕力传感器用来检测机器人末端环境
5、的接触力,仿真过程中用弹簧的弹性形变来代替,其表达式为:Fext=Ke(X-Xe),其中:Ke为环境的刚度,Xe为初始环境位置.仿真采用了平面机械手,其质量集中在连杆的末端,分别为:m1=m2=1kg,连杆长度为:1l=l2=1m,考虑当机械手末端与环境接触,且与环境的接触力不为0时的情况.如图2所示,设机械手的末端点P(x,y),关节1的起始位*[收稿日期]2007-11-28[项目支持]枣庄学院2006年科技项目[作者简介]杨振,(1975)),男,山东滕州人,讲师,硕士,研究方向:智能控制,算法分析与
6、设计.#89#枣庄学院学报2008年第2期PP置为:,关节2的起位置为:-,关节1、2的起始速度均0,此时末端点的起始点为P23(0.866,1.5),末端点刚好与坐标为0.866的一面墙接触.对末端x方向上加入xd=0.876的阶跃信号,y方向上加入yd=1.5的信号,环境信号(即墙的位置),xe=0.866,ye=50062501.5.阻抗参数初始值取为:M=I,B=,K=,环境刚度x方向上Kex=05006254000,y方向上的环境刚度设为0.仿真平台为Matlab6.5.图1Hogan阻抗控制算法
7、控制结构图Fig1ThestructureofimpedancecontrolofHoganFig2Thepositionofrobot图2机器人位置示意图2.1调节惯性参数对力控制性能的影响5006250阻抗参数保持B=,K=,不变,调节惯性参数依次为2、1、0.5、05006250.2,得到系统的力响应曲线为图3.由图可以看出当惯性参数由大变小时,其力峰值及稳态值在减小,稳定时间逐渐减小.由阻抗关系式分析以上出现问题的原因.对阻抗关系式:MdX&+BdXÛ+KdX=F,当惯性参数增大时,上述等式左侧在增
8、大,所以力的瞬态值在ext增大,反之当惯性参数减小时,力的瞬态值在减小.这也同直观上的理解相吻合,当物体的惯性质量增大时,它所具有的惯性相应也会增大,所以当它与环境物体发生碰撞后产生的接触力也会加大,反之亦然.阻抗控制的目标就是:若由于原机械手自身的惯性参数等阻抗参数导致其末端与环境接触时产生的力较大,通过根据环境情况设定合理的阻抗参数,以此参数来代替原有机械手自身的参数,达到合理的控制末端力的效果,从而一方面能
