無運動副的柔順機構(gòu)的動態(tài)設(shè)計理論與方法

柔順機構(gòu)是沒有運動副、不需要裝配的機構(gòu)新品種，它靠本身預(yù)期的彈性變形來傳遞運動和力。在要求輸出位移小的場合，有很好的應(yīng)用前景。本項目擬研究該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、彈性運動分析及機構(gòu)動態(tài)設(shè)計的理論與方法，對該機構(gòu)建立一套較完整的理論體系，開發(fā)該機構(gòu)的分析和設(shè)計軟件系統(tǒng)以及快速成型制造的有關(guān)軟件，為該機構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

柔順控制簡介

所謂被動柔順機構(gòu)，即利用一些可以使機器人在與環(huán)境作用時能夠吸收或儲存能量的機械器件如彈簧、阻尼等，而構(gòu)成的機構(gòu)一種典型的最早的被動柔順裝置RCC是由MITDraper實驗室設(shè)計的，它用于機器人裝配作業(yè)時，能對任意柔順中心進行順從運動。RCC實為一個由6只彈簧構(gòu)成的能順從空間6個自由度的柔順手腕，輕便靈巧。用RCC進行機器人裝配的實驗結(jié)果為：將直徑4Clnm的圓柱銷在倒角范圍內(nèi)且初時錯位2mm的情況下，于0. 25s內(nèi)插入配合間隙為0.01mm的孔中。

柔順控制缺點

機器人采用被動柔順裝置進行作業(yè)，顯然存在一定的問題：

1)無法根除機器人高剛度與高柔順性之間的矛盾；

2)被動柔順裝置的專用性強，適應(yīng)能力差，使用范圍受到限制；

3)機器人加上被動柔順裝置，其本身并不具備控制能力，給機器人控制帶來了極大的困難，尤其在既需要控制作用力又需要嚴格控制定位的場合中，更為突出。

4)無法使機器人本身產(chǎn)生對力的反應(yīng)動作，成功率較低等等。

也正是這些被動柔順方法的不足之處，決定了機器人專家們探索新的研究方法。因此，為克服被動柔順性存在的極大不足，主動柔順控制應(yīng)需而生，進而成為、乃至今日仍為機器人研究的一個主要方向。

設(shè)計機器人力控制結(jié)構(gòu)，處理力和位置控制二者之間的關(guān)系，也就是機器人柔順控制之策略，為主動柔順控制研究中的首要問題.有關(guān)力控制的研究首先集中于此，都是從不同的角度對控制策略進行闡述，雖然觀點各異，但從機器人實現(xiàn)依從運動的特點來看，一般可歸結(jié)為4大類：阻抗控制策略、力/位混合控制策略、自適應(yīng)控制策略和智能控制策略。

柔順控制阻抗控制

其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)和端部作用力之間的關(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，此時接觸過程的彈性變形尤為重要，因此也有人狹義地稱為柔順性控制。此中以Whitney, Salisbury, Hogan,Kazarooni等人的工作具有代表性。并且Maples和Becker進行了總結(jié)：這類力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當把力反饋信號轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時，這種力控制稱為剛度控制當把力反饋信號轉(zhuǎn)換為速度修正量時，這種力控制稱為阻尼控制當把力反饋信號同時轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時，即為阻抗控制。阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力運動轉(zhuǎn)換矩陣K設(shè)計，運動修正矩陣似WX=K F，從力控角度，希望K陣中元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位控來看，希望K中元素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。從而也體現(xiàn)了機器人剛?cè)嵯酀蟮拿?，這也給機器人力控制帶來了極大的困難。

柔順控制力/位混合控制

從具有代表性的Mason, Paul和Mills等人的研究可以看出力/位混合控制的提出有一個過程。

機器人力控制的最佳方案：以獨立的形式同時控制力和位置，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)境被當作不變形的幾何問題考慮，也有人狹義地稱為約束運動控制。

Mason于1979年最早提出同時非矛盾地控制力和位置的概念和關(guān)節(jié)柔順的思想，他的方法是對機器人的不同關(guān)節(jié)根據(jù)具體任務(wù)要求分別獨立地進行力控制和位置控制，明顯有一定局限性。1981年Raibert和Craig在Mason的基礎(chǔ)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(fù)雜。為此H. Zhang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可比矩陣并計算其坐標系，要實時地用反映任務(wù)要求的選擇矩陣來決定力和位控方向?？傊?位混合控制理論明確但付諸實施難。下圖為力/位混合控制結(jié)構(gòu)。

柔順控制自適應(yīng)控制策略

力控制目的是為了有效控制力和位置。但機器人為多自由度、時變和強耦合的復(fù)雜體，系統(tǒng)本身的位姿隨時而變，加上外部環(huán)境存在極大的模糊性，有時無法確定。上述兩種策略廣義上屬于經(jīng)典控制的范疇，為力控制研究發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)，但從適用范圍和控制效果看仍有不足，更無法使其推廣應(yīng)用。機器人本身的多自由度和位姿的不確定性，力和位置強耦合的力控制特點，以及阻抗控制和力/位混合控制策略的局限性，決定了眾多學(xué)者進行自適應(yīng)研究嘗試的必然性。具有代表性的是：Chung Jack G H , Leininger Gay G 直接在多任務(wù)坐標系統(tǒng)中，用學(xué)習(xí)進行重力、動摩擦力和柔順反作用力補償，以插孔為目標，進行自適應(yīng)實驗；KucTae-Yong, Lee Jin S , Park ByungHyun采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)的混合控制方法，進行了約束運動控制嘗試，在逆動力學(xué)求解、收斂性及抗干擾方面獲得滿意的效果。NicolettiGuy M 用Lyapunov穩(wěn)定理論，針對約束運動，對模型參考自適應(yīng)PID控制的穩(wěn)定性條件和判據(jù)進行了研究。另外，針對機器人力控制特點眾多學(xué)者進行了變結(jié)構(gòu)力控制嘗試.從現(xiàn)有的成果來看，自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制大部分處于理論研究和仿真實現(xiàn)的水平，并沒有取得突破。

柔順控制智能控制新策略

上述3種控制策略，存在一個共同的建模難題.就機器人本身來講，時變、強耦合以及不確定性給機器人控制帶來了困難.再加上力反饋的輸入，更增加了建模的難度.從現(xiàn)有的研究成果來看，上述3種策略各有優(yōu)缺點但大多處于理論探索和仿真階段，無法尋找徹底解決機器人力控制問題。另外機器人研究已進入智能化階段，決定了機器人智能力控制策略出現(xiàn)的必然性。具有代表性的研究：Connolly Thomash.等將多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于力拉混合控制，根據(jù)檢測到的力和位置由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算選擇矩陣和人為約束，并進行了插孔實驗；日本的福田敏男等用4層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了神經(jīng)伺服控制器，進行了細針刺紙實驗，能將力控制到不穿破紙的極小范圍。此后不久，又將之用于碰撞試驗，取得了一定的成果，但機構(gòu)簡單，針對性強，尚缺少普遍性；Xu Yangsheng等提出了主動柔順和被動柔順相結(jié)合的觀點，研制了相應(yīng)的機械腕，采用模糊控制的方法，實施插孔。從研究成果來看，智能控制仍處于起步階段，尚未形成獨立的控制策略，僅僅將智能控制原理如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對以往研究中無法解決的難題進行新的嘗試，仍具有一定的局限性。

從機器人力控制的特點來看，它是在模擬人的力感知的基礎(chǔ)上進行的控制，因而智能控制具有很強的研究價值。有人詳細分析了各種各樣的研究方法，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能“力/位并環(huán)”的控制策略。

智能力拉并環(huán)控制結(jié)構(gòu)的基本原理如圖所示。將力控制大系統(tǒng)分解成子系統(tǒng)，將力拉并行輸入，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行綜合，輸出為位置量。這樣，并不改動機器人的位置伺服系統(tǒng)，可以充分利用原機器人的優(yōu)良位置控制性能。另外還有其他特點：

1)它既具有阻抗控制的優(yōu)點又具有力/位混合控制的特點；

2)具有聯(lián)想記憶的功能，容錯、糾錯、自學(xué)習(xí)和自組織為此一大特色。尤其，該策略的學(xué)習(xí)功能明顯優(yōu)于自適應(yīng)學(xué)習(xí)；

3)擁有知識庫一一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各神經(jīng)元之間的聯(lián)接權(quán)值.能根據(jù)輸入力和位置的模糊劃分，自行進行匹配，選擇相應(yīng)的權(quán)值；

4)無須進行建模，適用范圍廣，且實時性強。

大伸縮比/高展開度伸縮機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計是國際機構(gòu)學(xué)研究的前沿課題，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。本項目面向航空子午線輪胎成型裝備自主創(chuàng)新需求，以拓撲/變胞機構(gòu)學(xué)為主要工具，研究一類結(jié)構(gòu)緊湊、大伸縮比、高剛度伸縮機構(gòu)的設(shè)計理論與方法。擬從組成機構(gòu)的基本伸縮單元的構(gòu)型優(yōu)選及組合方式出發(fā)，通過揭示基本伸縮單元的拓撲構(gòu)型與整個機構(gòu)伸縮性能的映射關(guān)系，提出適于這類機構(gòu)基本伸縮單元構(gòu)型優(yōu)選、性能評價及尺度綜合的理論與方法，形成整個機構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計流程，并用于指導(dǎo)一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的航空子午線輪胎成型鼓原型樣機開發(fā)，進而為我國航空子午線輪胎成型鼓的自主創(chuàng)新提供重要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。