基于關節(jié)全驅動的液壓指控式機器人控制研究

基于關節(jié)全驅動的液壓指控式機器人控制研究

作為一種新型的智能通用手，多功能機器人手的選擇合適的驅動方法對提高其工業(yè)實用性非常重要。目前大多數(shù)多指手采用了微型直流電機來驅動,如Stanford/JPL手、Robonaut多指手以及國內的HIT-DLR手、BH系列手等。由于微型電機的功率較小及繩索或腱的預緊程度的影響,造成多指手的負載能力較差,使多指手的應用大多停留在實驗室階段。氣動技術以及新型材料技術的發(fā)展為改善多指手的負載能力提供了有效途徑,如shadow手所采用的就是人工肌肉氣壓驅動技術,Hitachi多指手則是利用形狀記憶合金技術驅動。氣壓驅動器的缺點是剛度很低,動態(tài)性能較差,這和空氣的壓縮性有關,因此實現(xiàn)精準控制和高精度抓取是困難的,對要求實現(xiàn)精準抓取的多指手而言這幾乎是致命的缺陷。形狀記憶合金機構的驅動器設計簡單結構緊湊無噪音,但也存在著由于疲勞失效損壞導致的壽命和強度問題。與氣動系統(tǒng)相比液壓系統(tǒng)剛性較好,反應速度快且精度較高。隨著微型高壓液壓元件的出現(xiàn),液壓驅動器在滿足安裝空間的同時可提供較大的負載力,這使得高負載液壓全驅動多指手的研制成為可能。在以往大型機器人中液壓系統(tǒng)使用非常普遍,但在靈巧手中目前尚未見廣泛應用。目前雖已出現(xiàn)了液壓驅動的水下機械手,但該機械手是由彈簧和限位機構驅動的欠驅動結構,在不考慮力的作用下其運動是無序的。欠驅動機構僅通過與其它關節(jié)的藕合獲得動作,因此在傳動過程中降低了抓取的穩(wěn)定性與可靠性。欠驅動手爪在包絡抓取的過程中,會出現(xiàn)接觸點脫離的現(xiàn)象;同時欠驅動系統(tǒng)缺乏對任意狀態(tài)空間軌跡的跟蹤能力,運動軌跡的生成比一般常規(guī)系統(tǒng)要難得多。為了提高多指手的負載能力與抓取穩(wěn)定性,設計了一種基于全液壓驅動的手指機構模型,并在ADAMS/View環(huán)境下建立了多指手虛擬樣機模型,然后通過運動學分析與仿真,對比驗證了該手指機構的可行性。1土模型的建立根據(jù)對人手抓取任意物體方式的分析,所有的抓取均可利用三指來完成。當三手指的基點構成等邊三角形,且三圓柱的軸線相平行時,其相交的體積最大,避免了運動干涉;按手指的最佳工作區(qū)域相交體積最大的準則來設計三指手,可得到較好性能的靈巧手。因此在滿足抓取的前提下,從結構尺寸與控制的簡便性考慮,多指手的手指數(shù)目取為3個,單指具有三個自由度,在直徑約為20cm的手掌圓周上對稱均布。多指靈巧手的手掌可以增加對物體的約束,改善抓取操作的適應性,同時考慮到驅動元件的布置,采取了有手掌的構型?；诜抡娴男枰x擇直接在ADAMS中建立三維模型,如圖1所示。由于多指靈巧手各運動副均要借助于驅動器來實現(xiàn),而無論是轉動的或移動的驅動器大多為一個自由度。在具有相同數(shù)目運動副的手指中,包含移動副或者螺旋副的手指,其靈巧性比完全由轉動副所組成的手指明顯要差;因此手指三關節(jié)均為轉動副并由比例閥控制油缸活塞桿的旋轉或伸縮來實現(xiàn)。手指指中與指端部位各為一個四連桿機構,二者軸線互相平行;將2個串聯(lián)相接的直線型液壓缸內置于指骨中作為指端和指中四桿機構的動力執(zhí)行元件,分別實現(xiàn)屈曲運動;指根部位則由一個微型擺動缸來驅動,實現(xiàn)側擺運動。由于三指為對稱結構且液壓控制機理相同,因此僅以單指的手指機構進行分析。2指端部結構工作原理該多指手采取的是位置控制和力控制兩級控制策略,即位置控制為一級策略,壓力控制為二級策略。多指手整個液壓系統(tǒng)根據(jù)手指個數(shù)分為3組,每個獨立的分組均通過內置式的位移傳感器與壓力傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制。以手指1為例,設計液壓原理圖如下圖2所示;圖中液壓基本回路包含有換向調速回路、雙向鎖緊回路及壓力控制回路等。液壓傳動系統(tǒng)完成以下工作循環(huán):指根缸旋轉(側擺)→指根鎖緊→指中缸伸出→指中鎖緊→指端缸伸出(施力操作)→指端收回→指中收回→指根復位。首先,由比例電磁鐵Y2得電使比例多路閥A換向至右位,油液經(jīng)比例多路閥組、雙向液壓鎖3進入擺動缸,驅動指根部位完成側擺;之后Y2失電,換向閥A切換中位。為使手指機構能在任意位置側擺停留,且停留后不會在外力作用下發(fā)生移動,采用了由雙向液壓鎖與比例換向閥一起組成鎖緊回路。在指根部位側擺停止后,比例電磁鐵Y4得電,比例多路閥B置于右位,壓力油通過平衡閥中的單向閥向指中缸無桿腔供油,使油缸活塞推動指端部位動作。到達一定位置后換向閥B置中位,與指根部位類似,由于鎖緊閥的作用使得指中部位不會發(fā)生位移,得以在任意位置懸停。當Y3得電時換向閥換至左位,高壓油加于指中缸有桿腔使活塞收回,無桿腔壓力上升,將平衡閥6打開溢流,指端桿組伴隨活塞的收回而復位。液壓雙向鎖閉回路中添加內控外泄式平衡閥在防止泄露并將液壓缸鎖緊的同時,又提高了手指抓取動作的穩(wěn)定性。根據(jù)設計工況指根缸、指中缸動作時手指尚未接觸被抓物體,手指液壓系統(tǒng)處于流量調節(jié)位移工況。隨著準備階段位置控制的完成,指根與指中部位皆被鎖緊不動,從而使指端關節(jié)能夠獨立、穩(wěn)定地完成抓取動作。為消除輸出流量受負載影響,將比例多路閥C與PQ閥組合起來控制,在實現(xiàn)位置與力控制的同時并伴有調速作用。在指端缸動作的初始階段,指端回路的系統(tǒng)壓力尚未達到PQ閥中比例壓力先導閥10的調定壓力,閥10的關閉使得復合閥的P閥只起限壓作用,指端液壓回路實現(xiàn)負載壓力適應控制;系統(tǒng)多余流量以當時的系統(tǒng)壓力經(jīng)溢流閥11的閥口返回油箱,溢流閥主閥11起定差溢流作用。隨著指端缸繼續(xù)推進直至指端碰到物體的瞬間,力傳感器觸發(fā)打開,手指進入抓持階段;此時指端液壓回路系統(tǒng)壓力的持續(xù)增大,手指指端不斷對被抓取物施壓,當系統(tǒng)壓力達到比例壓力先導閥10的調定壓力時,先導閥10和主閥芯11就組成了一個普通溢流閥。此時一方面給比例節(jié)流閥8輸入一個保證其固定閥口開度的電信號,另一方面調節(jié)比例壓力先導閥10的輸入電信號即可得到與之成比例的系統(tǒng)保壓壓力,系統(tǒng)進入保壓工況,至此手指即實現(xiàn)了對被抓物體的穩(wěn)定力抓取。3建立創(chuàng)新的性別約束結構從機構學角度來看,抓取是一個由開鏈到閉鏈、由獨立運動到協(xié)調運動、由無載荷到有載荷的變約束、變載荷的過程。該手指機構的等價開式鏈結構簡化為由指根桿a1,指中桿a2和指端桿a3組成的開環(huán)三自由度串聯(lián)連桿結構,圖3即為利用DH法則描述運動鏈簡化后的數(shù)學模型。利用解析法求手指機構位置正解,即已知關節(jié)變量θi(i=1,2,3)求手指指尖在手掌固定坐標系的各坐標分量,設為G′(x,y,z)。分別用A1表示指根關節(jié)相對于手掌基座的位姿變換,A2表示指中關節(jié)相對于指根關節(jié)的位姿變換,A3表示指端關節(jié)相對于指中關節(jié)的位姿變換;則Ai=[cθi-sθicαisθisαiaicθisθicθicαi-cθisαiaisθi0sαicαidi0001]Ai=??????cθisθi00?sθicαicθicαisαi0sθisαi?cθisαicαi0aicθiaisθidi1??????從而指端位姿與手掌基座之間的坐標總變換為0Τ3=A1A2A3=[c1c23-c1s23s1a3c1c23+a2c1c2+a1c1s1c23-s1s23-c1a3s1c23+a2s1c2+a1s1s23c230a3s23+s20001](1)0T3=A1A2A3=??????c1c23s1c23s230?c1s23?s1s23c230s1?c100a3c1c23+a2c1c2+a1c1a3s1c23+a2s1c2+a1s1a3s23+s21??????(1)0T3矩陣中第4列向量即為指尖在定參考系x0y0z0中的坐標[xyz1]=[a3c23+a2c2+a1c1a3c23+a2c2+a1s1a3s23+a2s21](2)??????xyz1??????=??????a3c23+a2c2+a1a3c23+a2c2+a1a3s23+a2s21c1s1??????(2)式中:si=sθi=sinθi;ci=cθi=cosθi;sij=sin(θi+θj);cij=cos(θi+θj);i,j=1,2,3。對該3自由度多指手而言,進行運動學解算時須首先分析桿組的運動特點,找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關節(jié)角并將其分離出來組成等價的開鏈結構進行求解;因此需要尋求開式鏈結構中的關節(jié)角即θ1、θ2、θ3與閉式鏈結構中被間接驅動的關節(jié)角q1、q2之間的關系。為簡化分析運算的難度,設位于零位時的手指機構為矩形結構,即AD//BE//CF,AD=BE=CF=l,指根關節(jié)AB=DE=a1,指中關節(jié)BC=EF=a2,指端關節(jié)CG=a3,手指運動到某一位置時,指中缸與指端缸的位移分別為s1和s2。以A為原點建立坐標系xAy,此時關節(jié)鉸點E′、F′、C′坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),指尖位置點G′坐標為(x4,y4);建立運動解析圖如圖4所示。將手指四桿機構BCEF桿組和指端FCG視為一個整體,令運動到某一位姿時手指關節(jié)角∠CBC′=θ2,∠G′CX′=θ3;桿DE′與DE的夾角為q1,桿E′F′與E′H的夾角為q2,并由圖中幾何關系分析得∠EBE′=θ2;∠HC′E′=θ3。在坐標系xAy中,手指四桿機構在液壓缸驅動下到達某一位姿時關節(jié)鉸點E′坐標為(x1,y1),則{x1=a1+lsinθ2=(a1+s1)cosq1y1=lcosθ2=l-(a1+s1)sinq1(3){x1=a1+lsinθ2=(a1+s1)cosq1y1=lcosθ2=l?(a1+s1)sinq1(3)令sinθ2=m1,cosθ2=n1;則式(3)可化為2la1m1-2l2n1=(a1+s1)2-(2l2+a1)(4)令A1=2la1,B1=2l2,C1=(a1+s1)2-(2l2+a1),代入式(4)得{A1m1-B1n1=C1m21+n21=1(5)解方程組得Ρ1n21+Q1n1+R1=0(6)式中:Ρ1=B21A21+1;Q1=2B1C1A21;R1=C21A21-1。由于0<θ2<90°,即n1=cosθ2>0;解式(6)關于n的一元二次方程得cosθ2=n1=-Q1+√Q21-4Ρ1R12Ρ1sinθ2=m1=B1A1-Q1+√Q21-4Ρ1R12Ρ1+C1A1由于液壓系統(tǒng)對液壓缸的控制采用的是二級控制策略,因此當指中缸活塞桿推進s1使指中部位屈曲θ2角時,指端缸并不運動,從而四桿機構BEFC整體繞B點旋轉θ2角,轉至如圖4所示的新位置BE′HC′;此時以B為原點建立新坐標系x′By′,則當指中缸停止運動,指端缸活塞桿開始推進s2使指端部位屈曲θ3角時,鉸點F運動至F′,其在新坐標系x′By′中的坐標記為F′(x2′,y2′),則有{x′2=a2+lsinθ3=(a2+s2)cosq2y′2=lcosθ3=l-(a2+s2)sinq2(7)令sinθ3=m2,cosθ3=n2;同上述m1,n1求解過程一樣解得cosθ3=n2=-Q2+√Q22-4Ρ2R22Ρ2sinθ3=m2=B2A2-Q2+√Q22-4Ρ2R22Ρ2+C2A2鉸點C′坐標(x3,y3)為{x3=a1+a2cosθ2y3=-a2sinθ2(8)則指尖位置G′坐標(x4,y4)為{x4=x3+a3cos(θ2+θ3)y4=-y3-a3sin(θ2+θ3)(9)將sinθ2=m1,cosθ2=n1;sinθ3=m2,cosθ3=n2代入式(7)得{x4=a1+a2n1+a3(n1n2-m1m2)y4=-a2m1-a3(m1n2+n1m2)(10)式(10)即為手指機構末端的坐標表達。結合式(2),手指機構指端坐標在圖4解析法坐標系中的最終運動學表示為{x′4=a1+a2n1+a3(n1n2-m1m2)y′4=-a2m1-a3(m1n2+n1m2)z′4=-[a3(n1n2-m1m2)+a2n1+a1]s1(11)上述推導過程即實現(xiàn)了液壓缸活塞桿行程與手指機構桿組關節(jié)角之間的關系轉換。針對液壓缸活塞桿輸入不同的位移s1,s2可以得出手指指端G′點平面坐標。設計液壓缸最大行程為25mm,每次推進0.25mm,指根缸側擺角度給定為15°,圖4手指機構桿組各參數(shù)分別為l=38mm,a1=35mm,a2=47mm,a3=30mm。鑒于推算函數(shù)及迭代過程較為復雜,利用Matlab進行演算,生成的手指指端包絡點軌跡如下圖5所示。對s1,s2取四組數(shù)值,對應于圖中指端點4個坐標值計算如下:當s1=s2=0,A(x4,y4,z4)=(112,0,28.9877);當s1=20,s2=0,B(x4,y4,z4)=(107.6430,-15.5703,27.8601);當s1=0,s2=20,C(x4,y4,z4)=(100.7586,-40.0601,26.0782);當s1=23=s2,D(x4,y4,z4)=(81.6266,-56.6220,21.1265)。綜上所述,對于手指運動學正解而言,只要知道液壓缸的位移就可以得出手指關節(jié)的姿態(tài)角,再進行機器人運動學方程求解進而得出指尖坐標;反之對于多指手運動學逆解運算,有坐標得出手指關節(jié)姿態(tài)角,從而算出液壓缸的位移量,進而在液壓控制回路中獲得相應的響應流量實現(xiàn)液壓手指的精確抓取。4雙擺頭式指根擺動缸仿真分析基于上述理論分析,為真實表達手指的運動規(guī)律及確定抓取工作空間,在模型上添加驅動模擬液壓系統(tǒng)進行運動學仿真。手指的順序動作是通過在ADAMS/View函數(shù)構造器中對指根缸、指中缸及指端缸各運動副建立不同的STEP驅動函數(shù)來實現(xiàn)的,三缸運動函數(shù)如下;指根缸Motion-1:if(time-2:step(time,0,0,2,15d),15d,step(time,8,15d,10,0));指中缸Motion2:if(time-3:-step(time,0,0,2,23),-23,-step(time,8,23,10,0));指端缸Motion3:if(time-4:-step(time,3,0,4,23),-23,-step(time,6,23,7,0))。進行10s500步的運動學仿真,生成的速度及位移曲線如圖6所示;圖6a)、圖6b)分別為三缸的位移輸出曲線;圖6c)、圖6d)分別為三缸速度輸出曲線。由圖6可看出手指機構完整的運動過程:0s～2s間,指根缸與指中缸同時動作,動作完畢后立即保持靜止,此時指根缸與指中缸的位移分別為-15°和16.56mm,指根缸最大角速度為11.25°/s,指中缸最大線速度為22.341mm/s,之后暫停1s指關節(jié)進行位置調整;3s時指端缸開始動作,運動至4s時到達最大位移23mm,然后靜止,其最大線速度為35.630mm/s;4s～6s間進入壓力控制階段,三缸均保持不動。7s～10s抓取完畢,指端缸、指中缸及指根缸三缸開始依次收回,手指復位;由上4副圖可看出手指機構整個運動平穩(wěn)。為了確定手指的抓取操作空間范圍,在手指指端建立Marker標識點,選取x、y和z方向進行測量,生成三方向的位移曲線以及指尖軌跡,如圖7所示。根據(jù)設置的驅動函數(shù),指中缸與指端缸分別運動了23mm,指根擺動缸側擺角位移為15°,通過ADAMS/PostProcessor后處理模塊可讀出指尖Marker點在4s時的位移分量(x,y,z)分別為(-62.6878,82.9766,22.2795)(單位/mm),由于模型依托的參考坐標系的不同,ADAMS中手指機構指尖坐標(x,y,z)分別對應于解析法中y-x-z向的坐標值,對比可發(fā)現(xiàn)ADAMS仿真結果與由Matlab計算出的理論分析結果基本一致。以上手指的最大抓取范圍數(shù)據(jù)是基于液壓缸的最大行程,經(jīng)過ADAMS運動學解算后得到的。仿真的成功充分說明了整個模型和驅動函數(shù)都滿足了既定的設計要求,為下一步進行動力學仿真奠定了基礎。在未施加外界載荷的情況下,手指機構所有構件僅受自身重力作用,液壓缸克服自身重力及摩擦阻力的驅動力的仿真結果如圖8所示。由圖可看出在零位時指中缸承受的壓力較指