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基于位置反馈预测的阻抗模型仿真研究

时间:2023-06-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:应用基于位置反馈的预测算法进行仿真,计算机仿真所得到的力控制曲线如图9-24b所示。图9-24 受限运动中的刚度变化曲线和力响应曲线a)环境刚度变化曲线 b)力控制曲线由图9-24a、b的对比可见,当环境刚度发生不连续变化时,实际接触力在一定的振荡后趋于稳定,最大的力误差达到-3N。此时,由于刚度的突然变化对预测过程产生了一定的影响,基于位置反馈的预测算法通过预测因子的调节使接触力在0.5s内迅速达到期望力设定值。

基于位置反馈预测的阻抗模型仿真研究

本节选择两自由度串联机械手沿椭圆表面进行力控制仿真,仿真示意见图9-23。

受限表面为部分椭圆,在仿真中代表一个客观存在的接触表面,用来得到反馈力,而在该控制算法中接触表面是完全未知的。具体的仿真参数如下:

1)仿真时间t=6s,采样周期tm=0.01s。

2)操作手的参数:lj=0.8m,mj=0.1kg,Ij=0.3kg·m2j=1,2)。

3)阻抗模型初始参数为:Dm=diag[2727],Mm=diag[1.51.5],Km=diag[120 120]

4)在受限运动中,环境刚度的变化为

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图9-22 智能预测算法的力控制框图

a)基于位置反馈的力控制框图 b)基于力反馈的力控制框图

环境刚度的变化曲线如图9-24a所示。

5)αp0=1.46rad,αe0=0.001rad,常量c=4,φk=[-5×10-55×10-5]。

6)模糊控制器中输入和输出的各量化因子和比例因子为

KEPA=1,KCE=1,KU1=KU2=1

|eαk)|的论域为[0,0.01],|δk)|的论域为[0,0.01]。ck)的论域为[1,1.1]。阻抗控制参数Dm的论域为[17,37]。

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图9-23 机械手与受限环境的仿真示意图(椭圆)(www.xing528.com)

仿真初始点为(0.699,0.4),在接触表面法线方向上期望力为10N,机械手末端沿椭圆表面的滑动摩擦因数为0.1,初始速度v0=0.02m/s。

应用基于位置反馈的预测算法进行仿真,计算机仿真所得到的力控制曲线如图9-24b所示。由图可见,当机械手以非零速度去接触受限环境时,在自由空间到约束空间的转换过程中,力响应曲线中有一定的冲击力。在随后的受限运动过程中,此处提出的智能预测算法可以适应接触环境参数(刚度和形状)的变化,力控制效果明显改善,精度较高。

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图9-24 受限运动中的刚度变化曲线和力响应曲线

a)环境刚度变化曲线 b)力控制曲线

由图9-24a、b的对比可见,当环境刚度发生不连续变化时(t=3s),实际接触力在一定的振荡后趋于稳定,最大的力误差达到-3N。此时,由于刚度的突然变化对预测过程产生了一定的影响,基于位置反馈的预测算法通过预测因子的调节使接触力在0.5s内迅速达到期望力设定值。整个受限运动中,此算法可以适应未知环境形状和刚度的变化,受限运动平稳时力误差可以控制在[-0.1,+0.1]N之内。

图9-25为受限运动中机械手末端轨迹与参考轨迹的对比曲线。图中曲线1为受限表面未发生变形的轨迹(环境轨迹),曲线2为采用智能预测算法得到的参考轨迹,曲线3为机械手末端的实际轨迹。由图9-25中曲线3和图9-24b中力控制曲线的对比可知,在自由空间到约束空间的转换过程中,由于受到冲击力的影响,机械手末端实际轨迹有一定的振荡。参考轨迹的预测考虑了环境的变形,是在环境的内部进行的。当环境刚度保持不变(t<3s)时,参考轨迹与实际轨迹基本重合,差异很小;当环境刚度发生非连续变化时(t=3s),预测受到一定的影响,因此参考轨迹和实际轨迹有一定的变化,相应的力控制曲线也有一定的振荡;在随后的受限运动中刚度连续变化(t>3s),算法预测的参考轨迹可以根据受限表面形状和刚度的变化情况,调节与环境轨迹之间变形量的大小。通过对参考轨迹的预测,机械手的末端实际轨迹能根据参考轨迹的调整而变化,整个受限运动中两条轨迹曲线基本重合,取得了较高的预测精度和力控制精度。

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图9-25 机械手末端轨迹与参考轨迹的对比曲线

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图9-26 智能预测因子和预测方向角误差的变化曲线(一)

a)满意因子的调节曲线 b)阻抗参数的调节曲线 c)参考比例因子的调节曲线 d)预测方向角的误差变化曲线 e)曲率适应因子的调节曲线

图9-26为整个受限运动中各个智能预测因子和预测方向角误差的变化曲线。图9-26a为满意度因子的调节曲线,从图中可以看出,满意度因子能在受限运动初期迅速调节至1(满意),它的有效调节保证了预测精度,使参考轨迹能够适应未知环境形状的变化。值得注意的是:在环境刚度不变时(t<3s),满意度因子基本保持在1左右;在环境刚度非连续变化时(t=3s),满意度因子补偿预测误差,迅速调节至1(满意);在环境刚度连续变化时(t>3s),能根据环境刚度的变化进行调节,并逐渐调节至1。图9-26c为参考比例因子的调节曲线,参考比例因子在力控制环中的调节保证了预测的精度,它根据接触力的变化而做出相应的调整,在受限运动后期(t=5~6s),实际接触力稍大于期望力,因此参考比例因子调节环境的变形量较小,保持在0附近。图9-26b为阻抗参数的调节曲线。

在转换过程中及刚度发生非连续变化时,阻抗参数的在线调节对冲击力有一定的抑制,提高了全局的力控制效果。

图9-26e为曲率适应因子的调节曲线,受限表面的曲率变化较为平缓,在整个受限运动中曲率因子基本保持在1左右。图9-26d为受限运动中预测方向角的误差变化曲线,整个力跟踪过程中,预测方向角的误差可以控制在[-0.005,+0.005]rad之内。

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