（機械電子工程專業(yè)論文）套裝式助力機器人控制方法的研究.pdf

厶 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c h i n go nc o n t r o lm e t h o d o f l o w e r 1 i m bp o w e ra s s i s t e dr o b o t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： l ul u p r o f w a n gl a n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ： m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y h ， 一 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由 作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻的引用已在 文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 作者( 簽字) ：融 日期： 2 0 1 0 年月仃日 哈爾濱工程大學 學位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學校保護知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學。哈爾濱 工程大學有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件。 本人允許哈爾濱工程大學將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學。涉密學位論文待解密后適用本聲明。 本論文佃在授予學位后即可口在授予學位1 2 個月后 口解密后) 由哈爾濱工程大學送交有關(guān)部門進行保存、匯編等。 作者( 簽字) ：陸魄 日期： ) o i o 年月修日 導師( 簽字) ：多商、l 勿年? 月fr 日 燦 、 q 哈爾濱i 科人學碩十學位論文 摘要 對于機器人的控制系統(tǒng)，控制算法是當今主要的研究熱點，一個合適的 控制算法對機器人的性能至關(guān)重要。本文針對套裝式助力機器人的特點，設 計了兩種不同的控制算法，并通過仿真和實驗對這兩種控制算法的效果進行 了比較。 本文首先介紹了套裝式助力機器人的發(fā)展概況和機器人控制中幾種常用 的控制算法：如p i d 控制、阻抗控制、力位控制、模糊控制和魯棒控制。套 裝式助力機器人的任務目標是為年老體弱者提供助行幫助，我們設計了機器 人的總體方案，選擇了p d 控制和模糊p d 控制作為機器人的控制系統(tǒng)。 對套裝式助力機器人進行了運動學和動力學分析，分別建立了運動學和 動力學方程，并基于s i m m e c h a n i c s 建立了機器人的動力學模型，通過動力學 仿真得到了驅(qū)動力矩與機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和角速度之間的關(guān)系。 基于m 棚a b s i m u l i i l l 【建立了套裝式助力機器人的控制模型，采用p d 控制器實現(xiàn)對機器人的位置控制，并進行了誤差分析。根據(jù)生物力學知識， 建立了人體下肢的骨骼肌肉模型，進行了機器人帶負載的控制仿真，使仿真 結(jié)果與實際情況更加接近。 基于模糊理論設計了模糊p d 控制器，在相同的情況下應用模糊p d 控制 器對套裝式助力機器人進行了位置控制仿真及誤差分析。 基于d s p a c e 搭建了系統(tǒng)的半實物仿真平臺，實現(xiàn)兩種控制算法對機器 人的軌跡控制。實驗結(jié)果表明，所設計的模糊控p d 制器對系統(tǒng)的控制效果 好于p d 控制器。 關(guān)鍵詞：套裝式助力機器人；p d 控制：模糊p d 控制；d s p a c e ；半實物 仿真平臺 哈爾濱：稗人學碩十學何論文 a b s t r a c t f o rc o n t r o ls y s t e mo fr o b o t ，c o n t r o la l g o r i t h mi sah o ts p o to fr e s e a r c h ， b e c a u s ea na p p r o p r i a t ec o n t r o la l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h er o b o t sf u n c t i o n n ep a p e rd e s i g n e dt w ok i n d so fc o n t r o la l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h et r a i to ft h e l o w e r - l i m bp o w e ra s s i s t e dr o b o t ，t h e nc o m p a r e dw h i c hc o n t r o la l g o r i t h mi s b e t t e rf o rt h er o b o tb ym a k i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri si n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to fl o w e r - l i m b p o w e ra s s i s t e dr o b o ta n ds o m eu s u a lc o n t r o la l g o r i t h m i nr o b o tc o n t r o l ，f o r e x a m p l e ：p i dc o n t r o l ，i m p e d a n c ec o n t r o l ，f o r c e p o s i t i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l a n dr o b u s tc o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h a tt h et a s ko b j e c to ft h el o w e r - l i m bp o w e r a s s i s t e dr o b o ti st oh e l pt h eo l d e ra n dt h ew e a k e rw a l ki n d e p e n d e n t l y , w ed e s i g n t h eo v e r a l lp l a n n i n go ft h er o b o ta n dc h o o s ep dc o n t r o la n df u z z yp dc o n t r o lt o b et h ec o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o t w em a k ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n dk i n e t i ca n a l y s i sf o rt h el o w e r l i m bp o w e r a s s i s t e dr o b o t ，a n ds e tu pt h ek i n e m a t i ce q u a t i o na n dk i n e t i ce q u a t i o nf o ri t t h e nw eb u i l dt h ek i n e t i cm o d e lo ft h er o b o tb a s e do ns i m m e c h a n i c s ，a n dg e t t h er e l a t i o nb e t w e e nd r i v i n gt o r g u ea n dj o i n ta n g l ea n da n g u l a rv e l o c i t yo ft h e r o b o tb yk i n e t i cs i m u l a t i o n t h ep a p e rd e s i g n e dt h ec o n t r o lm o d e lf o rt h el o w e r - l i m bp o w e ra s s i s t e d r o b o tb a s e do nm 加。a b s i m u l i n k ，u s ep dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h et r a c ko ft h e r o b o t t h e nw em a k ee r r o ra n a l y s i so fp o s i t i o n w bb u i l dt h es k e l e t o na n dm u s c l e o fl o w e rl i m ba n ds i m u l a t et h em o d e lo ft h el o w e r - l i m bp o w e ra s s i s t dr o b o t w i t hl o a d s ot h em o d e lo ft h er o b o ti sc l o s e rt ot h ea c t u a li n s t a n c e f u z z yp d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nf u z z yt h e o r y i nt h es a m es i t u a t i o n ， u s ef u z z yp dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h et r a c ko ft h el o w e r - l i m bp o w e ra s s i s t e d r o b o ta n dm a k ee r r o ra n a l y s i so fp o s i t i o n b a s e do nd s p a c e ，t h es e m i s u b s t a n t i a le m u l a t i o np l a t f o r m ，w cu s ep d c o n t r o l l e ra n df u z z yp dc o n t r o l l e rt oc a r r yo u tt h et r a c kc o n t r o lo ft h er o b o t a n d e x p e r i m e n ti sp r o v e dt h a tt h ee f f e c to ft h ef u z z yp dc o n t r o l l e rf o rt h er o b o ti s b e t t e rt h a np dc o n t r o l l e r d s p a c e ：s e m i s u b s t a n t i a le m u l a t i o np l a t f o i t n 一 7 4 哈爾濱i j 科人學碩十學付論文 目錄 第1 章緒論1 1 1 課題的來源及研究目的、意義1 1 2 套裝式助力機器人研究現(xiàn)狀及分析1 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀1 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀3 1 3 控制算法的研究4 1 3 1p i d 控制4 1 3 2 阻抗控制5 1 3 3 力位混合控制7 1 3 4 模糊控制8 1 3 5 魯棒控制9 1 4 論文的主要工作1 0 第2 章套裝式助力機器人的總體方案設計1 2 2 1 概述1 2 2 2 人體下肢運動規(guī)律1 2 2 3 套裝式助力機器人的總體方案設計1 4 2 3 1 運動方案設計1 4 2 3 2 控制系統(tǒng)的設計1 5 2 4 本章小結(jié)1 7 第3 章套裝式助力機器人的動力學分析1 8 3 1 概述1 8 3 2 運動學分析1 8 3 3 動力學分析2 3 3 3 1 髖關(guān)節(jié)動力學方程的推導2 3 3 3 2 膝關(guān)節(jié)動力學方程的推導2 6 3 4 基于s i m m e c h a n i c s 的動力學仿真2 8 3 5 本章小結(jié)3 1 第4 章控制系統(tǒng)建模與機器人的p d 控制3 2 4 1 概述3 2 扣 哈爾濱一f j 柙大學碩十學仲論文 4 2 控制系統(tǒng)建模3 2 4 2 1 直流電機建模3 2 4 2 2p i d 控制器3 3 4 2 3 關(guān)節(jié)伺服控制模型的建立3 4 4 3 控制仿真3 5 4 3 1 髖關(guān)節(jié)的p d 控制3 5 4 3 2 膝關(guān)節(jié)的p d 控制3 8 4 3 3 機器人空載時的軌跡控制4 0 4 3 4 機器人帶負載時的軌跡控制4 2 4 3 5 誤差分析4 6 4 4 本章小結(jié)4 7 第5 章套裝式助力機器人的模糊p d 控制4 8 5 1 概述4 8 5 2 模糊控制簡介4 8 5 2 1 模糊p d 控制的特點4 8 5 2 2 模糊p d 控制器的原理4 9 5 3 模糊p d 控制器的設計5 0 5 3 1 輸入、輸出變量的選取5 0 5 3 2 模糊規(guī)則5 2 5 4 仿真5 4 5 4 1 髖關(guān)節(jié)的模糊控制5 4 5 4 2 膝關(guān)節(jié)的模糊控制5 7 5 4 3 誤差分析5 7 5 5 實驗5 9 5 5 1 實驗系統(tǒng)5 9 5 5 2p d 控制實驗6 0 5 5 3 模糊控制實驗6 3 5 6 本章小結(jié)6 5 結(jié)論6 6 參考文獻6 7 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果7 1 致謝7 2 一 q 哈爾濱。i j 科人學碩十學何論文 第1 章緒論 1 1 課題的來源及研究目的、意義 在我們?nèi)粘Ｉ钪?，有許多年老體弱者或者中風后遺癥的病人都不能獨 立行走，必須借助外力的幫助。但是對于他們中間的某些人來說，通過有效 的機械裝置就可以幫助其恢復下肢的功能，以達到獨立行走的目的。所以套 裝式助力機器人就在這種情況下產(chǎn)生了，通過機械裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輔助裝置， 這種機器人像衣服一樣穿在患者的身上，在行走過程中提供外力，增加了患 者下肢的力量，以達到助行的目的。 套裝式助力機器人為患者的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)提供外力，幫助其完成行走 過程。對套裝式助力機器人控制的研究意義在于，不同患者的下肢力量是不 一樣的，機器人所提供的外力也是不同的，而且在助力的過程中，行走速度 也需要控制，所以合適的控制算法可以使其針對不同的對象發(fā)揮更好的作用。 一個控制系統(tǒng)的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的運行，所以一個合適的控制算法 是至關(guān)重要的。 1 2 套裝式助力機器人研究現(xiàn)狀及分析 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 如圖1 1 所示為韓國漢陽大學韓彰秀教授組開發(fā)的可穿戴式機器人 “h e x a r ”?！癶 e x a r ”是“漢陽大學外骨骼輔助機器人( h a n y a n ge x o s k e l e t a l a s s i s t i v er o b o t ) 的英文縮寫，相當于上衣的上身系統(tǒng)是一種機器胳膊。如果 力量傳感器感知到人的動作，機器胳膊就會啟動，最多可以提著4 0 公斤重物 自由活動。下身系統(tǒng)是殘疾人用的步行輔助器形態(tài)，人要行走的時候，壓力 傳感器就會感知到肌肉變硬，從而使機器腿移動。這樣一來，老人和殘疾人 不用費任何力氣就可以行走。如果裝上具有脊椎功能的機器裝置，最多可以 背著4 5 公斤重物輕松登上陡峭的坡路和樓梯。 如圖1 2 所示為瑞士h o c o m a 醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎： ：b a l g r i s t 醫(yī)學院 康復中心合作推出的l o k o m a t 步行康復訓練機器人。這種裝置為病人下肢 哈爾濱1 j 秤人學碩+ 學位論文 提供外力，帶動病人完成行走的過程，機器人與跑步機相結(jié)合，使病人能按 照正常人的行走模式進行康復訓練【1 - 2 1 。 圖1 1 韓國h e x a r 機器人圖1 2 瑞士l o k o m a t 機器人 圖1 3 所示為l o k o m a t 機器人的機械結(jié)構(gòu)示意圖，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均由直 線驅(qū)動器驅(qū)動，圖中所示的這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)將絲杠螺母機構(gòu)的直線運動轉(zhuǎn)換為 關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。 支撐 圖1 3l o k o m a t 主體部分的結(jié)構(gòu)簡圖 由圖1 4 所示，為意大利生產(chǎn)的5 自由度機械腿，髖關(guān)節(jié)的自由度分別 為伸髖、屈髖、外展、內(nèi)收和旋轉(zhuǎn)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)都是一個自由度，與人 體生物力學知識相符，驅(qū)動方式為氣動，這種驅(qū)動方式使得機械腿的結(jié)構(gòu)更 2 h 7 哈爾濱f 科人導：碩十學何論文 加緊湊。在設計的過程中考慮了人體重心原理，提島了穩(wěn)定性1 3 j 。 如圖1 5 所示，由日本本田公司研制的可穿型行走輔助工具，它的外形 看起來好像一個通過機械架與鞋子連接起來的自行車車座。該行走輔助腿旨 在支撐身體重量，減少體重對膝蓋的壓力，幫助人們在登上臺階的過程中保 持身體的穩(wěn)定。 圖1 4 意大利5 自由度機械腿圖1 5 日本可穿型行走輔助工具 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 雖然國外對套裝式助力機器人的研究已達到了比較高的技術(shù)水平，但是 國內(nèi)對這方面的研究還比較少。近年來由于市場方面的需求不斷增大，已經(jīng) 不斷有科研機構(gòu)和大學來投入這方面的研究。如浙江大學、北京理工大學和 天津大學等等，而我校最近也在相關(guān)方面開展了研究工作。 如圖1 6 所示，為中科院合肥智能機械研究所研制的“可穿戴型助力機器 人”。它以電池為能源，能夠根據(jù)安裝在機器人外骨架上的多種傳感器來感受 人體的運動意圖，由安裝在外骨架的伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，通過各關(guān)節(jié)角 度、速度值的改變來達到與人體的協(xié)調(diào)運動并提供助力，降低人在負重或長 時間行走的情況下的運動強度，使其在助力過程中與人體的配合更加協(xié)調(diào)1 4 j 。 如圖1 7 所示，清華大學精密儀器系康復工程研究中心在國家自然科學 基金和國家科技支撐計劃支持下正在研究g r t s ( g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g s y s t e m ，g r t s ) 步行康復訓練機器人。g r t s 采用關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式，電機驅(qū)動 器直接安裝于機械腿髖、膝關(guān)節(jié)處，過控制髖和膝電機的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動完成步行 動作。g r t s 具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、屈曲角度大等優(yōu)點。但是髖、膝關(guān)節(jié)處驅(qū) 3 圖1 6 可穿戴型助力機器人圖1 7 清華大學g r t s 機器人 1 3 控制算法的研究 對套裝式助力機器人系統(tǒng)的控制是一個很復雜的過程，因為它與仿人步 行機器人的控制策略類似，都是要模擬人類的步態(tài)，而人的行走過程又是一 個較復雜的過程，需要髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的配合作用才能使人完成行走過程。 對套裝式助力機器人的控制算法研究的結(jié)果，可以使機器人與病人更好的配 合。 套裝式助力機器人和仿人機器人的不同之處在于，它需要與人體下肢運 動相協(xié)調(diào)，通過獲取人體下肢運動參數(shù)來實現(xiàn)控制過程。所以控制算法直接 影響系統(tǒng)性能的好壞，針對不同對象的裝式助力機器人，所要達到的控制要 求也是不同的。因為不同患者的下肢力量是不同的，所以套裝式助力機器人 的軌跡、速度都是需要控制的參數(shù)。 1 3 1p i d 控制 p i d ( l 匕例積分微分) 控制器作為最早實用化的控制器已有5 0 多年歷史， 現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。p i d 控制器由比例單元( p ) 、積分單元 ( 1 ) 和微分單元( d ) 組成，p i d 控制器的原理圖如圖1 8 所示。它由于用途廣泛、 使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)( k p ，k i 和) 即可。 4 哈爾濱i ：科大學碩十學位論文 在很多情況卜，并卜一定需要全部三個單元，_ 口以墩其中的一劍兩個單元， 但比例單元是必須選擇的。 圖1 8p i d 控制方框圖 作為現(xiàn)在工業(yè)控制中應用最廣泛也是最簡單的一種控制算法，p i d 控制器 的特點如下面所述： 首先，p i d 應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對 其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣p i d 就可控 制了。 其次，p i d 參數(shù)較易整定。p i d 參數(shù)k ，k i 和l ( d 可以根據(jù)過程的動態(tài)特性 及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài) 特性變化，p i d 參數(shù)就可以重新整定。 第三，p i d 控制器在實踐中也不斷的得到改進，但仍不可否認p i d 也有其 固有的缺點：p i d 在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復雜過 程時，效果不是太好。最重要的是，如果p i d 控制器不能控制復雜過程，無 論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。 雖然有這些缺點，p i d 控制器仍然是是最簡單的，而且應用最廣泛的1 6 l 。 1 3 2 阻抗控制 阻抗控制方法是由h o g a n ( 1 9 8 5 年) 明確提出的。h o g a n 利用n o r t o n 等效 網(wǎng)絡中的概念來描述機器人與外界環(huán)境間的動態(tài)接觸，即將外界接觸環(huán)境等 效為導納，其輸入為接觸力，輸出為運動響應；而將機器人等效為阻抗，其 輸入為運動響應，輸出為接觸力。這樣機器人與接觸環(huán)境系統(tǒng)的行為類似于 一個匹配的阻抗電路，機器人力控制問題變成了阻抗調(diào)節(jié)問題。阻抗控制就 是能實現(xiàn)預定期望的動態(tài)關(guān)系的控制規(guī)律。這個期望動態(tài)規(guī)律包括預先確定 的慣性、阻尼和剛性，它代表了機器人的末端位置與接觸環(huán)境作用力之間的 5 哈爾濱t 稗大學碩+ 學何論文 一種恰當?shù)膭討B(tài)關(guān)系。 圖1 9 所示為操作空間的阻抗控制的方框圖。在自由環(huán)境下力控制環(huán)不 存在，因為凡- c 0 。當機器人末端受力時，力控制環(huán)和位置速度換共同 作用。將阻抗控制器作為機器人的控制器，末端的動力學可以用阻抗代替。 圖1 9 阻抗控制方框圖 阻抗控制的特點是不直接控制機器人與環(huán)境的作用力，而是根據(jù)機器人 端部的位置( 或速度) 和作用力之間的關(guān)系，通過調(diào)整反饋位置誤差，速度 誤差或剛度來達到控制力的目的。機器人末端執(zhí)行器與接觸環(huán)境間的作用力、 末端位置偏差、速度偏差、加速度偏差之間可以建立一個具有二階關(guān)系的控 制模型，這個模型成為描述阻抗控制的目標阻抗模型7 捌。 機器人的動力學方程為： m ( o ) 8 + h ( o ，口) 一z + _ 廠1 ( 日) c( 1 1 ) 式中：0 一表示關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角 m 徊) 一為非奇異的慣量矩陣 h ( o ，舀) 一是包含離心力、哥氏力、重力和摩擦力的向量 f 一是關(guān)節(jié)力矩 j 一是雅可比矩陣 e 一是機器人與環(huán)境接觸所產(chǎn)生的作用在末端上的力 外力c 可以表示為一個包含時間變化和非線性向量的模型： e - g ( a x o ，d x o ，d x o ，f )( 1 - 2 ) 式中：趔。一表示實際位置x 和平衡位置x ；之差趔。- x ；一x g ( ) 一表示一個非線性的未知量 6 哈爾濱下稃大學碩十學付論文 | l l 阻抗控制模型為： m 。d x + b 。d x + k 。d xm 凡一t( 1 - 3 ) 式中：m 。，e ，k 一分別為機器人期望的慣性，粘性阻尼和剛度矩陣 凹一表示機器人實際位置與期望位置之差越一x x 4 e 一表示期望的接觸力。 1 3 3 力位混合控制 m a s o n 于1 9 7 9 年最早提出同時控制力和位置的概念和關(guān)節(jié)柔順的思想， 其方法是對機器人的不同關(guān)節(jié)根據(jù)具體任務要求分別獨立的進行力控制和位 置控制。理論上機器人力自由空間和位置自由空間是兩個互補正交的子空間， 在力自由空間進行力控制，而在剩余的正交方向上進行位置控制。此時的約 束環(huán)境被當作不變的幾何問題加以考慮，因而該方法明顯具有一定的局限性。 1 9 8 1 年r a i b e r t 和c r a i g 在m a s o n 的基礎上提出了力位混合控制，即通過雅 可比矩陣將作業(yè)空間任意方向的力和位置分配到各個關(guān)節(jié)控制器上，可這種 方法計算復雜。h z h a n g 等人提出了把操作空間的位置環(huán)用等效的關(guān)節(jié)位置 環(huán)代替的改進方法，但必須根據(jù)精確的環(huán)境約束方程來實時確定雅克比矩陣 并計算其坐標系，要實時的用反映任務要求的選擇矩陣來決定力控和位控方 向。 力位混合控制策略將任務空間劃分成了兩個正交互補的子空間：力控制 子空間和位置控制子空間，在力控制子空間用力控制策略進行力控制，在位 置子空間利用位置控制策略進行位置控制。力位混合控制方法的核心思想是 分別用不同的控制策略對位置和力直接進行控制，即首先通過選擇矩陣確定 當前接觸點的位控和力控方向，然后應用力反饋信息和位置反饋信息分別在 位置環(huán)和力環(huán)中進行閉環(huán)控制，最終在受限運動中實現(xiàn)力和位置的同時控制。 力位混合控制器原理如圖1 1 0 所示【7 訓。 7 圖1 1 0 力位混合控制方框圖 圖中s 為選擇矩陣，用來表示約束坐標系下的力控方向；，為單位矩陣， ，一s 用來表示位控方向。 在笛卡爾坐標系下的機器人動力學方模型與力位混合控制模型，可以推 得下列方程： f j r m 鼻彳【( ，一s ) “，一- 1 戈】+ c 乙孟+ g ，) + j r a u ， ( 1 - 9 ) 如公式( 1 9 ) 所示，a 為約束坐標系到笛卡爾坐標系中的旋轉(zhuǎn)變量矩陣。 “p 為位控向量，h ，為力控向量。 “，- a - 1 【k p 0 ，一x ) + k d d - i ) 】 如公式( 1 - 1 0 ) 所示，其中砟，暢為位控向量的p d 調(diào)節(jié)系數(shù)， 爾坐標系中機器人末端期望的位置，屯為機器人期望的速度。 ( 1 1 0 ) 屯在笛卡 h ，- a 1 【日+ k 可( 易- f ) - k 夠戈】 ( 1 - 1 1 ) 如公式( 1 - 1 1 ) 所示，其中只為期望接觸力，c 為實際接觸力；k n ， 為力控向量的p d 調(diào)節(jié)系數(shù)。 1 3 4 模糊控制 模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學 8 哈爾濱t 程大學碩十學何論文 i i i 宣i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 基礎的新型計算機控制方法，是智能控制的重要分支之一。模糊控制的最大 特征是能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識表示成語言變量描述的語言規(guī) 則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。 1 9 7 4 年e h m a m d a n i 首次把模糊集合理論用于鍋爐和蒸汽機的控制并取 得良好的效果，在自動控制領域中開辟了模糊控制理論及其工程應用的嶄新 途徑。從此，模糊控制理論的應用研究首先在2 0 實際7 0 年代的歐洲取得了一 些成功，推動了模糊控制理論的研究、同時模糊理論也不斷的得到人們的認 識和重視。在2 0 實際8 0 年代后期，模糊控制理論進入了發(fā)展期，包括美國在 內(nèi)的世界各國在模糊控制理論研究投入的人資金，其中各大公司投入的開發(fā) 資金明顯增加，從而促使了模糊控制理論和模糊控制產(chǎn)品的不斷發(fā)展和不斷， 翻新。 模糊控制的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略 總結(jié)成一系列以“i f 條件t h e n 作用”形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到 控制作用集，作用于被控對象或過程。模糊控制器的模糊算法包括：( 1 ) 定義 模糊子集，建立模糊控制規(guī)則；( 2 ) 由基本論域轉(zhuǎn)變?yōu)槟：险撚颍? 3 ) 模糊 關(guān)系矩陣運算：( 4 ) 模糊推理合成，求出控制輸出模糊子集；( 5 ) 進行模糊判決， 得到精確控制量。模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)如圖1 1 1 所示。 圖1 1 1 模糊控制器的一般結(jié)構(gòu) 模糊控制的理論和應用研究，主要有以下方面：模糊控制的穩(wěn)定性研究， 模糊模型及辨識，模糊最優(yōu)控制，模糊自組織控制，傳統(tǒng)p i d 與模糊控制相 結(jié)合的多模態(tài)模糊控制器。模糊控制理論2 0 年來在理論和應用上已取得了引 人注目的成果，成為控制理論及應用的重要組成部分【1 0 1 1 3 5 魯棒控制 所謂的魯棒控制，就是設計一種控制器，使得當系統(tǒng)存在一定程度的參數(shù) 不確定性及一定限度的未建模動態(tài)時，閉環(huán)系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定的狀態(tài)，并保持 9 哈爾濱t 科人學碩十學付論文 一定的動念性能品質(zhì)的控制。建立在傳遞函數(shù)基礎上的經(jīng)典反 建立在狀態(tài)空間描述基礎上的現(xiàn)代控制理論存在的一個重大缺 被控對象精確的數(shù)學模型。鑒于建模方法的局限性及實際過程 現(xiàn)象的存在，對象數(shù)學模型中不可避免地存在著各種形式的不確定性。因此， 獲得被控對象精確數(shù)學模型的難度很大控制界針對不確定性對系統(tǒng)性能影 響的研究產(chǎn)生了魯棒控制理論，并使其向深層次化、實用化的方向發(fā)展。 d e 當 島 一i 機器人的標 。l 控制囂i ：l 稱 翅 l 穢 一一- 。 。 l 圖1 1 2 魯棒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 魯棒控制的基本特征，就是用一個結(jié)構(gòu)和參數(shù)都固定不變的控制器，來 保證即使不確定性對系統(tǒng)的性能品質(zhì)影響最惡劣的時候也能滿足設計要求。 機器人的魯棒控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1 1 2 所示。不確定性分為兩大類，不 確定的外部干擾d 和模型誤差。顯然，受系統(tǒng)本身狀態(tài)的激勵，同時又 反過來作用于系統(tǒng)的動態(tài)。機器人系統(tǒng)的各種參數(shù)誤差、各種降階處理以及 建模時忽略的動態(tài)特性等等，都可以用來描述。但是在設計魯棒控制器時， 一般假設屬于一個可描述集，比如增益有界，且上界已知等等。對于不確 定的干擾信號也是如此，d 可以是不可檢測的信號，但必須屬于可描述集。 魯棒控制器就是基于這些不確定描述參數(shù)和標稱系統(tǒng)的數(shù)學模型設計的。一 般來說，魯棒控制是比較保守的控制策略。對于所考慮集合內(nèi)的個別元素， 該系統(tǒng)并不是最佳控制。但是，它能以固定的控制器，保證在不確定破壞最 嚴重的情況下系統(tǒng)也能滿足設計要求，而這正是實際現(xiàn)場所期望的，也是近 幾年對機器人魯棒控制的研究非?；钴S的一個重要原因i l 玉1 4 1 。 1 4 論文的主要工作 本文所設計的套裝式助力機器人，為下肢功能障礙的人提供助行幫助， 這種機器人已經(jīng)研究到第二代，根據(jù)人體下肢運動規(guī)律的特點來設計控制系 1 0 哈爾濱i ：科人學碩十學何論文 統(tǒng)，論義的主要工作主要有以f ) l 個方向： ( 1 ) 總體方案設計：根據(jù)正常人的下肢運動規(guī)律和設計目標，確定了套裝 式助力機器人的總體方案設計，主要是控制系統(tǒng)的設計。 ( 2 ) 系統(tǒng)的動力學分析：根據(jù)套裝式助力機器人的結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，建立 其運動學和動力學解析模型，并驗證了基于s i m m e c h a n i c s 模型的動力學特 性。 ( 3 ) 設計p d 控制器：在s i m u l i n k 下建立了控制系統(tǒng)的模型，進行了基于 p d 控制器的控制仿真。根據(jù)生物力學原理，建立了人體下肢的骨骼肌肉模型， 進行了機器人帶負載的控制仿真。 ( 4 ) 設計模糊p d 控制器：基于模糊控制理論設計了模糊p d 控制器，實 現(xiàn)了控制器對機器人的位置控制，并基于d s p a c e 半實物仿真平臺，對機器 人進行位置的p d 控制和模糊p d 控制實驗。 哈爾濱：科人學碩十學仲論文 第2 章套裝式助力機器人的總體方案設計 2 1 概述 套裝式助力機器人是針對年老體弱者所設計出的一種助行裝置，它像一 件衣服一樣穿在身上，在行走的過程中，為力量不足的下肢提供外力，從而 幫助年老體弱者完成行走過程。針對本文的控制系統(tǒng)，選擇p i d 控制和模糊 p i d 控制作為控制器。這兩種控制算法要實現(xiàn)的目標是使機器人的運動規(guī)律 與人體的下肢運動規(guī)律相符合。 2 2 人體下肢運動規(guī)律 右腳跟左腳左腳跟右腳右腳跟左腳 觸鼉：蘭ll! ：蘭二蘭 ll! ：芏： o 5 0 l0 0 il 步態(tài)周期時間百分比 i 。 i 霧卜右腿單獨支撐階段一霧卜左腿單獨支撐階段一囂i e 三三王垂嬰墮三主三主三塑垂亟自 ； ii；!一 ：e 二壟豎堡墊墮墼= = e = = = 壟堅塞堡墮壁= = = ：= = j 卜一 步態(tài)周期一 卜一步態(tài)周期一 圖2 1 步態(tài)周期 人在一個步態(tài)周期內(nèi)的下肢運動規(guī)律如圖2 1 所示。整個步態(tài)周期分為 兩個階段：支撐階段和擺動階段。支撐階段分為雙腿支撐階段和單腿支撐階 段。雙腿支撐階段是指一只腳剛觸地而另一只腳還沒有離地，在一個步態(tài)周 1 2 哈爾濱t 科人學碩十號：何論文 劃這種情況會自i 塒次，分別為站立階段的外始和結(jié)束，初期的艤腿支撐階段 和后期的雙腿支撐階段分別占整個步態(tài)周期的1 0 。單腿支撐階段開始于腳 跟觸地，結(jié)束于同一只腳的腳趾離地，這個階段占整個步態(tài)周期的6 0 。擺 動階段是指從腳趾離地到下一個支撐階段的開始，占整個步態(tài)周期的4 0 。 擺動階段是指腳離開地面向前運動的過程1 1 列。 正常人的步態(tài)周期約為1 - 1 5 s ，而套裝式助力機器人是針對年老體弱 者，所以將步態(tài)周期延長，設定為3 s 。在一個步態(tài)周期內(nèi)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié) 的運動規(guī)律分別如圖2 2 和圖2 3 所示。由曲線可知，髖關(guān)節(jié)基本為勻速運 動，速度約為2 7 。s ，膝關(guān)節(jié)在高速段的速度約為5 5 。s 。 t ( s ) 圖2 2 髖關(guān)節(jié)運動規(guī)律 t ( s ) 圖2 3 膝關(guān)節(jié)運動規(guī)律 如圖2 4 所示，人在行走過程中足部的軌跡近似為一個橢圓，長軸為步 長，短軸為步幅。正常人的步長約為7 0 0 r a m ，步幅為7 0 r a m 。 圖2 4 足部軌跡 正常人的行走規(guī)律如圖2 1 所示，而下肢功能障礙的病人或者年老體弱 者的行走過程通常不符合這個規(guī)律，為了使他們能恢復到正常行走的狀態(tài)， 需要借助一些外力的幫助，如康復訓練或者是助力裝置。設計套裝式助力機 器人的目的就是為力量不足的下肢提供外力，幫助年老體弱者獨立完成行走 的過程。 1 3 哈爾濱i ?？迫藢W碩十學位論文 2 3 套裝式助力機器人的總體方案設計 2 3 1 運動方案設計 根據(jù)生物力學知識，人在行走的過程中，大腿、小腿上的肌肉和韌帶的 長度的變化而產(chǎn)生的拉力對髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)形成力矩，這個力矩就是人在行 走時自身提供的動力，而年老體弱者由于下肢無力，不能獨立行走。為了幫 助他們恢復日常生活，我們設計了一種可以穿在身上的助行裝置，即套裝式 助力機器人，它為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供外力，幫助年老體弱者完成獨立行走 過程。 由人體生物力學知識可知，人體髖關(guān)節(jié)是一個復雜的3 自由度關(guān)節(jié)，包 括伸髖、屈髖、外展、內(nèi)收、旋內(nèi)和旋外，膝關(guān)節(jié)只能做屈伸運動。在行走 的過程中，髖關(guān)節(jié)的運動主要為屈、伸，所以將套裝式助力機器人的髖關(guān)節(jié) 簡化為一個自由度，只進行屈伸運動。髖關(guān)節(jié)的角度范圍是l 一1 0 0 ，3 0 0 l ，膝 關(guān)節(jié)的角度范圍是1 5 0 ，5 5 0 l ，而一個步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的軌跡已經(jīng) 給出。 套裝式助力機器人是針對一般的年老體弱者而設計的，所以與人身高有 關(guān)的各個桿件的長度應該是可以調(diào)節(jié)的，人體參數(shù)詳見表2 1 。 表2 1 人體主要尺寸及運動參數(shù) 成年人身高 1 6 0 c m 1 8 0 c m 體重5 0 k g - 8 0 k g 大腿的長度 4 7 c m 5 2 c m 小腿的長度 3 7 c m 4 1 c m 髖關(guān)節(jié)角度 1 0 。3 0 。 膝關(guān)節(jié)角度 5 。5 5 。 針對以上要求所設計的套裝式助力機器人的機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 5 所 示。機器人的大腿桿和小腿桿的長度是可以調(diào)整的，與表2 1 所示的人體主 要尺寸一一對應，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)a 相當于人提的髖關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)b 相當于人體 的膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)都是絲杠螺母機構(gòu)，將螺母的直線運 1 4 哈爾濱。i j 稃大等：碩十學付論文 動轉(zhuǎn)化成各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0 1 和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角良與絲杠行程的數(shù)學 關(guān)系將在下一章內(nèi)容中進行詳細的介紹。關(guān)節(jié)直接驅(qū)動的控制雖然比較簡單， 但是它的安裝方式不利于套裝式助力機器人的結(jié)構(gòu)緊湊性和穩(wěn)定性，選擇絲 杠螺母機構(gòu)的原因是這種傳動機構(gòu)的優(yōu)點是：( 1 ) 傳動效率高：( 2 ) 定位精度高； ( 3 ) 傳動可逆性；( 4 ) 使用壽命長；( 5 ) n 步性能好。而本文所設計的這種帶有絲 杠螺母的四邊形驅(qū)動機構(gòu)不僅使套裝式助力機器人的結(jié)構(gòu)剛度增加，而且對 傳感器精度的要求也不高。 絲 長度為氣 圖2 5 套裝式助力機器人機構(gòu)簡圖 2 3 2 控制系統(tǒng)的設計 控制系統(tǒng)的好壞對套裝式助力機器人的性能有很大的影響，因為套裝式 助力機器人在針對不同的對象的時候，驅(qū)動電機提供的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩也是不同的， 而且人在行走的過程中，各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速也是需要控制的，所以在對電機高 速或者是低速的控制都應該滿足系統(tǒng)運行的要求。控制系統(tǒng)的設計目標就是 使套裝式助力機器人的運動規(guī)律與人體運動規(guī)律相符合，而且使機器人的軌 跡跟蹤精度保持在1 5 。以內(nèi)。 如圖2 6 所示，為套裝式助力機器人的控制系統(tǒng)的總體方案。控制系統(tǒng) 1 5 哈爾濱i 科大學碩十學付論文 采用分散控制，上位機負責接收編碼器反饋的信息，實王見軌跡規(guī)劃和控制算 法，向下位機發(fā)送命令。下位機實現(xiàn)對驅(qū)動電機的伺服控制，可以采用單片 機或者d s p 等微處理器。上、下位機分工明確，使系統(tǒng)的運算速度加快。 圖2 6 套裝式助力機器人控制系統(tǒng)總體方案 由機器人的結(jié)構(gòu)特點和人體下肢運動規(guī)律可知，控制算法要實現(xiàn)對機器 人的軌跡控制和速度控制，使其軌跡與正常人行走時的足部軌跡相符合，機 器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動規(guī)律也要與人體的下肢運動規(guī)律相符合。綜上， 選擇p d 控制和模糊p d 控制作為套裝式助力機器人的控制器，控制算法方框 圖如圖2 7 所示。 圖2 7 控制算法方框圖 ( 1 ) p d 控制算法。本文所設計的p d 控制器是針對套裝式助力機器人的伺 1 6 哈爾濱i ：科人號：碩十亨：何論文 服控制系統(tǒng)，基十m a7 i l a b s i m u li n k 實現(xiàn)的控制算法。在m a t l a b s i m u li n k 下，搭建伺服驅(qū)動系統(tǒng)的模型、套裝式助力機器人的機械本體模型和p d 控制 器的模型，通過調(diào)節(jié)控制器的比例系數(shù)l ( o 和微分系數(shù)實現(xiàn)對伺服驅(qū)動系 統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)對機器人位置的控制。選擇p d 控制的原因是因為其設計 和應用簡單，而且針對不同情況可以通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)使控制系統(tǒng)的性能 滿足要求。 ( 2 ) 模糊p d 控制算法。雖然p i d 控制器是現(xiàn)代工業(yè)控制中是應用最廣泛 的一種控制算法，為了使控制效果更優(yōu)，我們根據(jù)套裝式助力機器人自身的 特點設計了一種更好的控制算法，即模糊p d 控制。模糊p d 控制屬于模糊控 制的一種，相比于p i d 控制算法，模糊控制的優(yōu)點是可以在線的調(diào)整控制器 的參數(shù)，只需要知道系統(tǒng)的輸入、輸出就可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的過程控制。模糊 p d 控制器的設計過程雖然比較復雜，但是它的適應性要好一些。 本文所設計的模糊p d 控制器是將模糊控制和p d 控制相結(jié)合，利用 m a t l a b 的函數(shù)功能建立模糊p d 控制器