史為民

【摘要】關(guān)節(jié)是機(jī)械臂中相當(dāng)核心的構(gòu)成要素之一，其在整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，需要完成的動(dòng)作包括：動(dòng)力產(chǎn)生、動(dòng)力傳遞、運(yùn)動(dòng)精度控制、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性控制、以及運(yùn)動(dòng)安全性控制這幾個(gè)方面。在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，機(jī)械臂關(guān)節(jié)部分的主要構(gòu)成元素涉及到以下幾個(gè)方面：其一為建立在電機(jī)基礎(chǔ)之上的動(dòng)力源，其二為行星齒輪或諧波齒輪所構(gòu)成的傳動(dòng)裝置，其三為位置傳感器裝置，其四為限速管理裝置，其五為數(shù)據(jù)采集與處理電路，其六為驅(qū)動(dòng)電路，其七為運(yùn)動(dòng)軸系部分。文章以機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制作為研究視角，首先分析了在考慮柔性系統(tǒng)概念下的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)，進(jìn)而簡(jiǎn)要分析了幾類(lèi)有關(guān)機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤規(guī)劃的技術(shù)方法，希望以上問(wèn)題能夠引起各方工作人員的高度關(guān)注與重視。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械臂；關(guān)節(jié)；控制系統(tǒng)；軌跡規(guī)劃

本文在對(duì)柔性系統(tǒng)影響下，機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)要點(diǎn)進(jìn)行分析的同時(shí)，探討了機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃的主要方法，具體研究如下：

1．機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模分析

在本文針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建與分析的過(guò)程當(dāng)中，主要借助的技術(shù)方法有兩個(gè)方面，其一為牛頓-歐拉分析方法，其二為拉格朗日分析方法。前者為作用力的平衡研究方法，需要從運(yùn)動(dòng)學(xué)的視角上入手，求解被分析對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中加速度水平，對(duì)內(nèi)力作用予以消除。后者為建立在能量平衡基礎(chǔ)之上的分析方法，僅需要完成對(duì)加速度的分析工作，省略對(duì)內(nèi)力作用問(wèn)題的分析。因此，在機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)力學(xué)分析中更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)于機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)而言，在拉格朗日方法下所構(gòu)建的方程主要與以下影響因素相關(guān)：其一為動(dòng)能取值，其二為位能取值，其三為整個(gè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的廣義坐標(biāo)，其四為整個(gè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的廣義速度；其五為與廣義坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的廣義力；其六為與廣義坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的廣義力矩取值。下圖（見(jiàn)圖1）即為雙連桿剛性機(jī)械臂所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)示意圖。

圖1：雙連桿剛性機(jī)械臂坐標(biāo)示意圖

結(jié)合圖1來(lái)看，假定整個(gè)雙連桿機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以正常狀態(tài)運(yùn)行，且運(yùn)行期間所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩作用力為t1~2，質(zhì)量為m1~2，以連桿末端點(diǎn)質(zhì)量表示，長(zhǎng)度取值為，l1~2。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)建模分析認(rèn)為：整個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分包括諧波齒輪減速器以及伺服電機(jī)兩個(gè)方面。為了利用拉格朗日方法推定機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，就需要結(jié)合機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，明確與之相對(duì)應(yīng)的動(dòng)能表達(dá)式以及勢(shì)能表達(dá)式。與常規(guī)意義上剛性機(jī)械臂的不同點(diǎn)在于：對(duì)于具有多個(gè)柔性關(guān)節(jié)的機(jī)械臂而言，動(dòng)能衡量中除需要考量多個(gè)剛性連桿的動(dòng)能以外，還應(yīng)當(dāng)考量多個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的動(dòng)能。同時(shí)，從重力勢(shì)能的角度上來(lái)說(shuō)，需要考慮的組成部分包括伺服電機(jī)以及機(jī)械臂兩個(gè)方面。根據(jù)以上分析，關(guān)節(jié)柔性可以直接視作電機(jī)轉(zhuǎn)子與下一連桿中間位置的線(xiàn)性彈簧，與之相對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂柔性關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖如續(xù)團(tuán)所示（見(jiàn)圖2）。

圖2：機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2．機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制軌跡規(guī)劃方法分析

首先，是建立在自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。本方法實(shí)質(zhì)上是一種基于過(guò)程的控制方法，控制功能的實(shí)現(xiàn)不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)建模處理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。有關(guān)人員提出可以通過(guò)對(duì)非線(xiàn)性奇異攝動(dòng)方法的應(yīng)用，在機(jī)械臂關(guān)節(jié)PID控制中增設(shè)速度觀測(cè)器，通過(guò)該觀測(cè)器，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出速度進(jìn)行觀察與記錄?？刂破鲀?nèi)部組成部分包括自適應(yīng)的PID部分以及前饋部分兩個(gè)方面，前者能夠確保機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)瞬時(shí)響應(yīng)的穩(wěn)定，后者能夠發(fā)揮補(bǔ)償控制功能，對(duì)期望驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上，有關(guān)人員嘗試將傅里葉級(jí)數(shù)引入軌跡規(guī)劃中，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)所對(duì)應(yīng)傅里葉系數(shù)的辨識(shí)來(lái)學(xué)習(xí)信號(hào)，以確保獲取指數(shù)穩(wěn)定的誤差動(dòng)力學(xué)，提高整個(gè)控制方法下的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤誤差精度，兼顧對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能的提升。

其次，是建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。本方法作用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃中的主要優(yōu)勢(shì)在于：學(xué)習(xí)能力強(qiáng)大，整體結(jié)構(gòu)具有并行分布式特性，對(duì)于各種復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系有良好的逼近效果，且魯棒性與容錯(cuò)性均較佳。從機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤的角度上來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用途徑主要有兩個(gè)方面：其一，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于控制器組建中，其二，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助作用于逼近機(jī)械臂關(guān)節(jié)系統(tǒng)非線(xiàn)性或不確定中。在這一方法基礎(chǔ)之上，還可以通過(guò)滑膜控制的方式，降低網(wǎng)絡(luò)逼近中的誤差以及干擾影響，從而使運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中的誤差能夠得到漸近收斂。

最后，是建立在模糊自適應(yīng)控制基礎(chǔ)之上的軌跡規(guī)劃方法。在本方法作用之下，能夠省去對(duì)機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的應(yīng)用完成軌跡規(guī)劃與跟蹤方面的工作。根據(jù)規(guī)則庫(kù)所對(duì)應(yīng)規(guī)則形式的不同，模糊自適應(yīng)控制的主要應(yīng)用途徑可以概括為以下兩個(gè)方面：其一，為直接性的模糊自適應(yīng)控制：本方法下采用控制知識(shí)作為規(guī)則，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)性能與理想性能之間的偏差，通過(guò)一定的方法來(lái)直接調(diào)整控制器的參數(shù)；其二，為間接性的模糊自適應(yīng)控制：本方法下采用被控對(duì)象知識(shí)作為規(guī)則，通過(guò)在線(xiàn)辨識(shí)獲得控制對(duì)象的模型，然后根據(jù)所得模型在線(xiàn)設(shè)計(jì)模糊控制器。

3．結(jié)束語(yǔ)

綜合相關(guān)研究認(rèn)為：由于機(jī)械臂具有操作上的靈活性以及穩(wěn)定性，故而使其在相當(dāng)意義上的安全防爆、工業(yè)裝配、以及工業(yè)制造等領(lǐng)域中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。在依賴(lài)于機(jī)械臂完成不同動(dòng)作任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中，關(guān)節(jié)可以說(shuō)發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。同時(shí)，還需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行需求，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確的規(guī)劃，以保障機(jī)械臂關(guān)節(jié)級(jí)聯(lián)構(gòu)成末端位姿。由此可見(jiàn)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的快速控制以及軌跡規(guī)劃跟蹤都是機(jī)械臂作用于實(shí)踐中的研究重所在。本文即從這一角度入手，在對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析的基礎(chǔ)之上，分別從自適應(yīng)PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、以及模糊自適應(yīng)控制這三個(gè)方面入手，就機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中的軌跡規(guī)劃方法展開(kāi)了研究，望能夠引起各方關(guān)注與重視。

4.參考文獻(xiàn)

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