無運(yùn)動副的柔順機(jī)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計理論與方法項目摘要

柔順機(jī)構(gòu)是沒有運(yùn)動副、不需要裝配的機(jī)構(gòu)新品種，它靠本身預(yù)期的彈性變形來傳遞運(yùn)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、彈性運(yùn)動分析及機(jī)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的理論與方法，對該機(jī)構(gòu)建立一套較完整的理論體系，開發(fā)該機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，即利用一些可以使機(jī)器人在與環(huán)境作用時能夠吸收或儲存能量的機(jī)械器件如彈簧、阻尼等，而構(gòu)成的機(jī)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(jī)器人裝配作業(yè)時，能對任意柔順中心進(jìn)行順從運(yùn)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(jìn)行機(jī)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(diǎn)

機(jī)器人采用被動柔順裝置進(jìn)行作業(yè)，顯然存在一定的問題：

1)無法根除機(jī)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(qiáng)，適應(yīng)能力差，使用范圍受到限制；

3)機(jī)器人加上被動柔順裝置，其本身并不具備控制能力，給機(jī)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(yán)格控制定位的場合中，更為突出。

4)無法使機(jī)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(jī)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(jìn)而成為、乃至今日仍為機(jī)器人研究的一個主要方向。

設(shè)計機(jī)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(jī)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(jìn)行闡述，雖然觀點(diǎn)各異，但從機(jī)器人實現(xiàn)依從運(yùn)動的特點(diǎn)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(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力，而是根據(jù)機(jī)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yùn)動轉(zhuǎn)換矩陣K設(shè)計，運(yùn)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(jī)器人剛?cè)嵯酀?jì)要求的矛盾，這也給機(jī)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(jī)器人力控制的最佳方案：以獨(dú)立的形式同時控制力和位置，理論上機(jī)器人力自由空間和位置自由空間是兩個互補(bǔ)正交子空間，在力自由空間進(jìn)行力控制，而在剩余的正交方向上進(jìn)行位置控制。此時的約束環(huán)境被當(dāng)作不變形的幾何問題考慮，也有人狹義地稱為約束運(yùn)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(jī)器人的不同關(guān)節(jié)根據(jù)具體任務(wù)要求分別獨(dú)立地進(jìn)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(jìn)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(biāo)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?，力/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(jī)器人為多自由度、時變和強(qiáng)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(jī)器人本身的多自由度和位姿的不確定性，力和位置強(qiáng)耦合的力控制特點(diǎn)，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(jìn)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(biāo)系統(tǒng)中，用學(xué)習(xí)進(jìn)行重力、動摩擦力和柔順反作用力補(bǔ)償，以插孔為目標(biāo)，進(jìn)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(jìn)行了約束運(yùn)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(yùn)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(jìn)行了研究。另外，針對機(jī)器人力控制特點(diǎn)眾多學(xué)者進(jìn)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(jī)器人本身來講，時變、強(qiáng)耦合以及不確定性給機(jī)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(diǎn)但大多處于理論探索和仿真階段，無法尋找徹底解決機(jī)器人力控制問題。另外機(jī)器人研究已進(jìn)入智能化階段，決定了機(jī)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(jìn)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(jìn)行了細(xì)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(jī)構(gòu)簡單，針對性強(qiáng)，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(diǎn)，研制了相應(yīng)的機(jī)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(dú)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(jìn)行新的嘗試，仍具有一定的局限性。

從機(jī)器人力控制的特點(diǎn)來看，它是在模擬人的力感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制，因而智能控制具有很強(qiáng)的研究價值。有人詳細(xì)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(jìn)行綜合，輸出為位置量。這樣，并不改動機(jī)器人的位置伺服系統(tǒng)，可以充分利用原機(jī)器人的優(yōu)良位置控制性能。另外還有其他特點(diǎn)：

1)它既具有阻抗控制的優(yōu)點(diǎn)又具有力/位混合控制的特點(diǎn)；

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(jìn)行匹配，選擇相應(yīng)的權(quán)值；

4)無須進(jìn)行建模，適用范圍廣，且實時性強(qiáng)。

大伸縮比/高展開度伸縮機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計是國際機(jī)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?fù)?變胞機(jī)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(jī)構(gòu)的設(shè)計理論與方法。擬從組成機(jī)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?fù)錁?gòu)型與整個機(jī)構(gòu)伸縮性能的映射關(guān)系，提出適于這類機(jī)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(jī)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(jī)開發(fā)，進(jìn)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)。