鄧昭輝,邢宏超,林順生
(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司安順供電局變電站管理中心,貴州 安順 561000;2.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院,吉林 吉林 132000)
應(yīng)用于變壓器內(nèi)部的可攀爬機(jī)器人是一種柔性自動(dòng)化裝置,通常用于制造等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中.對(duì)于這種特定任務(wù)的應(yīng)用環(huán)境,傳統(tǒng)的機(jī)器人足以滿足需求,但這類功能不能滿足變壓器內(nèi)部的攀爬任務(wù)[1].不能達(dá)到對(duì)變壓器內(nèi)部的檢測(cè)、維護(hù)等功能.
從機(jī)械角度出發(fā),變壓器攀爬機(jī)器人系統(tǒng)用于設(shè)置一系列關(guān)節(jié)和連桿,來完成一類特殊任務(wù).通過重新編程,變壓器攀爬機(jī)器人可以執(zhí)行不同的任務(wù).然而,攀爬機(jī)器人可以完成任務(wù)的范圍受其自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,而變壓器攀爬機(jī)器人的固定結(jié)構(gòu)不具備完成所有任務(wù)的能力,因此通常的解決方案是使用一組不同的攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性來共同完成任務(wù).這種方法將非常昂貴,甚至不可行,模塊化的設(shè)計(jì)思想廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、電氣電子工程、計(jì)算機(jī)軟件工程等許多學(xué)科.其 主要思想是將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為不同功能的模塊,這些模塊相對(duì)獨(dú)立,易于維護(hù),邏輯清晰.模塊化設(shè)計(jì)的概念使設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)可拆卸的基本功能單元,并使用單獨(dú)的模塊或模塊集形成一個(gè)集成的工作系統(tǒng).為了解決固定結(jié)構(gòu)變壓器攀爬機(jī)器人的不足,一些學(xué)者開始將模塊化設(shè)計(jì)的概念引入到變壓器攀爬機(jī)器人設(shè)計(jì)中,并提出了可重構(gòu)模塊化變壓器攀爬機(jī)器人的概念[2-4].
文獻(xiàn)[5-7]提出了一種基于新開關(guān)函數(shù)的滑??刂品椒?,并對(duì)多自由度串聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了研究.通過使用新的切換功能,設(shè)計(jì)了滑??刂埔?guī)律,分析了滑模控制方法的漸近穩(wěn)定性,完成了機(jī)器人的控制.文獻(xiàn)[8-10]將模糊理論與滑??刂葡嘟Y(jié)合,提出了一種基于模糊邏輯的自適應(yīng)滑??刂品椒ǎ摲椒ㄍ茖?dǎo)了履帶攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了模型的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一個(gè)積分項(xiàng)滑動(dòng)面,并構(gòu)建了一種基于等效控制和切換控制的模糊滑模自適應(yīng)控制方法.這兩種方法的抖動(dòng)抑制、軌跡跟蹤和自適應(yīng)性能差,不能在動(dòng)態(tài)約束下控制變壓器攀爬機(jī)器人.本文提出了一種動(dòng)態(tài)約束下可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人的自適應(yīng)滑??刂品椒?
(1)建立可攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
在基礎(chǔ)模塊和可重構(gòu)模塊變壓器攀爬機(jī)器人的工具模塊兩端建立坐標(biāo)系.基本模塊和工具模塊的幾何參數(shù)可以分別用以下齊次變換矩陣來描述為
B=Trans(0,0,l),
(1)
T=Trans(0,0,l),
(2)
公式中:Trans(a,b,c)為a,b,c分別為沿x,y,z軸移動(dòng).
連桿模塊的幾何參數(shù)可以用以下齊次變換矩陣來描述.
(3)
公式中:L[j]為可重構(gòu)模塊化變壓器攀爬機(jī)器人的兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)模塊的四個(gè)不同連接位置.從底座模塊到工具模塊,接頭模塊從1到n的順序標(biāo)記,連桿模塊從0到n的順序標(biāo)記,n是可重構(gòu)模塊化變壓器攀爬機(jī)器人的自由度.模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)[12]可以通過了解每個(gè)模塊的幾何參數(shù)和連接參數(shù)和它們之間的連接模式獲得.
(2)求解可攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
設(shè)T0,n+1是由式(4)描述的運(yùn)動(dòng)方程.T0,n+1的微分可以用下列公式表示為
(4)
當(dāng)可重構(gòu)模塊化變壓器攀爬機(jī)器人處于奇異位置時(shí),即矩陣JTJ為奇異位置時(shí),奇異形狀的計(jì)算公式如下為
J(qk)=(JTJ+λI)-1JT.
(5)
可重構(gòu)模塊化的攀爬機(jī)器人的滑動(dòng)面選擇為
(6)
公式中:ec為可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人的位置跟蹤誤差;τ為扭矩.
此時(shí)的等效控制規(guī)律如下為
(7)
當(dāng)t≥0,可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人滑動(dòng)面上的速度跟蹤偏差方程為
(8)
確定的情況下,等效控制簡(jiǎn)化為
(9)
為了消除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始學(xué)習(xí)誤差,提高系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng),引入比例控制,然后將混合控制設(shè)計(jì)為
(10)
當(dāng)t≥0,可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人滑模面上的速度跟蹤偏差方程為
(11)
速度跟蹤的誤差方程為
(12)
此時(shí),神經(jīng)滑??刂频囊?guī)律如下:
(13)
在引入開關(guān)控制消除誤差的同時(shí),控制律公式(8)也引入了抖動(dòng)現(xiàn)象.為了消除不期望的抖動(dòng),采用RBFNN來調(diào)整滑??刂频脑鲆姒?將滑動(dòng)面作為RBFNN的輸入,則RBFNN的輸出為:xi=sii=1,2.
(14)
公式中:Ai=(αi1αi2…αim)T為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值向量,ψi=(φi1φi2…φim)Tψi為徑向基向量,
(15)
為Koski函數(shù),dijδij為RBFNN輸入的TH節(jié)點(diǎn)的中心j和基寬i,并且數(shù)字大于零.在自適應(yīng)滑??刂七^程中,希望選擇的參數(shù)對(duì)開關(guān)控制增益最優(yōu)應(yīng)用自適應(yīng)控制估計(jì)最優(yōu)參數(shù).具有最佳增益的開關(guān)控制如下:
(16)
由徑向基函數(shù)輸出可知,開關(guān)控制的自適應(yīng)增益為
(17)
(18)
κi>0,為學(xué)習(xí)速率.則可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人自適應(yīng)滑??刂剖綖?/p>
(20)
為了驗(yàn)證可重構(gòu)模塊的攀爬機(jī)器自適應(yīng)滑??刂品椒ǖ膬?yōu)越性,對(duì)具有不同配置的兩個(gè)自由度動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人進(jìn)行了仿真.實(shí)驗(yàn)在Matlab/Simulink平臺(tái)上完成.可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人末端的動(dòng)態(tài)約束定義為圍繞確定的自由度旋轉(zhuǎn)(0.6 m和5 kg)的長(zhǎng)圓柱.其中,由于配置B的外部約束,關(guān)節(jié)1的位置變量為零.
為了測(cè)試所需軌跡的抖動(dòng)抑制效果和軌跡性能,采用經(jīng)典的一階滑??刂破鱏MC和本文的方法對(duì)兩組不同配置的可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人進(jìn)行了比較和模擬.
利用傳統(tǒng)的一階滑??刂破骱捅疚奶岢龅淖赃m應(yīng)滑模控制方法對(duì)配置A進(jìn)行仿真的曲線,如圖1、圖2所示.跟蹤曲線表明,經(jīng)典的一階滑??刂圃诔跏茧A段具有明顯的抖動(dòng);而本文提出的自適應(yīng)滑??刂品椒梢杂行У匮a(bǔ)償系統(tǒng)的初始誤差,并且可以在短時(shí)間內(nèi)獲得所需的狀態(tài)誤差,從而減少抖動(dòng).從跟蹤誤差曲線可以看出:一階滑??刂破骺梢允垢櫿`差收斂,但是由于該控制器不能根據(jù)實(shí)際的不確定性來調(diào)節(jié)控制增益,因此周期性誤差較大.同時(shí)采用本文提出的自適應(yīng)滑??刂品椒梢詼?zhǔn)確地補(bǔ)償模型的不確定性,從而使系統(tǒng)的跟蹤性能得到明顯提高.從電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)的估計(jì)力矩曲線可以知道:當(dāng)使用一階滑模控制器時(shí),電機(jī)振動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)矩很大,受此影響,關(guān)節(jié)估計(jì)轉(zhuǎn)矩也有較大的抖動(dòng);在本文提出采用自適應(yīng)滑模控制方法的同時(shí),電機(jī)輸出抖動(dòng)轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)估計(jì)轉(zhuǎn)矩顯著減弱,達(dá)到理想的效果.
圖1 SMC的配置A的位置
圖2 自適應(yīng)配置A的位置
為了驗(yàn)證該方法在不改變控制參數(shù)的情況下對(duì)不同配置的攀爬機(jī)器人仍然有效,對(duì)可重構(gòu)模塊攀爬機(jī)器人的配置B進(jìn)行了相同的仿真.由于外部約束的影響,配置B的關(guān)節(jié)1的關(guān)節(jié)位置變量和控制扭矩為零.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示.從圖3和圖4所示的仿真曲線可以看出,本文提出的滑??刂品椒ㄔ诓桓淖兛刂茀?shù)的情況下仍然是有效和可適應(yīng)性的.
圖3 SMC的配置B的位置
圖4 自適應(yīng)配置下B的位置
通過所提出的方法獲得的兩組攀爬機(jī)器人配置的末端約束力和末端軌跡跟蹤曲線,如圖5所示.從仿真曲線可以看出,當(dāng)攀爬機(jī)器人的終端受到外部動(dòng)態(tài)約束作用時(shí),所提出的方法可以通過攀爬機(jī)器人不同配置的末端執(zhí)行器有效地跟蹤所需的末端軌跡.
圖5 使用該方法的攀爬機(jī)器人末端約束力和軌跡跟蹤曲線
可重構(gòu)模塊化攀爬機(jī)器人由一組具有標(biāo)準(zhǔn)連接接口的連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊組成,連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊可以快速組裝具有不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)態(tài)行為的攀爬機(jī)器人配置,從而適應(yīng)不同的工作環(huán)境.目前,攀爬機(jī)器人滑模控制方法存在抖動(dòng)抑制效果差,軌跡跟蹤性能不足,自適應(yīng)性能差等問題,在動(dòng)態(tài)約束下無法有效控制攀爬機(jī)器人.本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)攀爬機(jī)器人自適應(yīng)滑??刂品椒?,解決了目前攀爬機(jī)器人滑??刂品椒ù嬖诘膯栴},為攀爬機(jī)器人的發(fā)展和研究奠定了基礎(chǔ),為可攀爬機(jī)器人應(yīng)用于變壓器內(nèi)部檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ).