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摘要:災難救援機器人能夠在危險環境下代替人類實施救援任務，由于災害現場復雜多變，空間緊張，救援機器人往往需要在重載條件下進行工作。大型液壓機械臂末端夾持裝置，存在阻尼低、剛度弱、易振蕩等固有缺陷，且夾持裝置直接與環境接觸，其耦合規律復雜，阻尼/剛度性能難以精細調控，夾持裝置不能實現柔順控制，極大限制了機械臂與環境的交互，甚至會造成人員傷亡和財產損失。采用阻抗控制中的導納控制，對救援機器人的末端液壓夾持裝置進行柔順控制，通過AMESim-Simulink聯合仿真平臺，搭建夾持裝置模型進行仿真驗證。仿真結果表明，采用導納控制器的夾持裝置與環境柔順交互，取得了較好的控制效果。
關鍵詞:救援機器人;夾持裝置;柔順控制
1引言
自然災害和重大事故嚴重威脅著人類的生命和財產安全，突發災難下快速應急和安全施救近年來已經成為國家公共安全領域的核心任務［1］。由于災難現場復雜多變的環境，救援人員面臨著二次坍塌、意外傷害等危險。為盡量避免人員傷亡并提高作業效率，災難救援機器人具備在危險環境下代替人類實施救援任務，作業能力強、救援效率高等特點，已受到各國高度重視。由于災害現場復雜多變，空間緊張，救援機器人往往需要具備重載工作能力。具備救援作業能力的大型液壓機械臂，其末端夾持裝置，存在阻尼低、剛度弱、易振蕩等固有缺陷，且夾持裝置直接與環境接觸，其耦合規律復雜，阻尼/剛度性能難以精細調控。因此機械臂末端夾持裝置的柔順作業控制是目前迫切需要解決的技術難題。通過動態交互，將能量與環境交換的機器人接觸任務已經成為研究熱點。HOGANN［2］提出的阻抗控制，可以建立起位置和力的關系，實現位置和力的協調控制，激起了廣大科研工作者的研究興趣。根據控制器的因果關系，有兩種實現阻抗控制的方法，即阻抗控制和導納控制。OTTC等［3］對這兩種方法進行了區分，在阻抗控制中，控制器是阻抗，被控對象是導納，即位置信號經過控制器對力進行修正;在導納控制中，控制器是導納，被控對象是阻抗，即力信號經過控制器對位置進行修正。HAQP等［4］將阻抗控制用于液壓挖掘機上，在自主挖掘土壤時取得了良好的控制性能。FICUCIELLOF等［5］提出變阻抗算法在冗余自由度機器人上實現末端柔順控制。張雲楓等［6］針對服務型機器人對系統的柔性、安全性提出的高要求，開展了氣壓驅動輕量型機械臂的伺服控制系統和碰撞檢測方法研究。趙苓等［7］針對氣動人工肌肉驅動單關節機械臂存在嚴重的非線性問題，提出一種自抗擾控制策略，來改善單關節機械臂的控制效果。謝海波等［8］分析了連續型機械臂運動學模型，并搭建了實驗系統驗證模型正確性。宋東亞等［9］針對機械臂的實時控制問題，基于約束預測控制，提出了一種機械臂實時運動控制方法，并測試了所述控制系統的可行性和有效性。王濤等［10］以二自由度機械臂為例驗證了協調控制算法，證實了該算法的有效性。伯艷廣［11］利用神經網絡系統有效控制液壓柔性機械臂的運動軌跡并取得較好的跟蹤效果。以上的研究工作部分采用了阻抗控制，實現機械臂的末端柔順控制，但沒有進行液壓機械臂末端夾持裝置的柔順控制研究。液壓機械臂末端夾持裝置直接與環境接觸，如果不能實現末端夾持裝置的柔順控制會極大限制機械臂與環境的交互。例如，作業時由于系統剛度過大，破壞被夾持物體，導致物體脫落，造成人員傷亡和財產損失。采用阻抗控制需要對被控對象進行建模，而液壓系統的油液溫度和油液可壓縮性等參數難以得到準確數值。阻抗控制在無接觸力時為開環控制，若建模誤差較大，難以達到控制精度，因此采用導納控制對機械臂末端夾持裝置進行柔順控制。本研究建立了液壓機械臂末端夾持裝置模型，考慮液壓缸非線性摩擦力模型，設計導納控制器對夾持自由度進行柔順控制，并通過AMESim-Simulink聯合仿真平臺進行仿真驗證。
2液壓機械臂夾持裝置
2．1夾持裝置機械結構
夾持裝置主要由7個主要零部件構成，分別為擺動缸、擺動缸輸出軸、液壓缸、活塞桿、連桿轉軸、連桿和夾頭，結構如圖1所示。擺動缸可在一定角度范圍內轉動，通過擺動缸輸出軸將轉動傳遞給液壓缸，液壓缸旋轉帶動連桿和夾頭轉動，與此同時，活塞桿伸出長度變化使連桿繞連桿轉軸轉動，連桿為平行四桿機構，由于平行四桿機構的特性，夾頭位置隨活塞桿變化。驅動液壓缸接壓力傳感器獲得油液壓力，經計算轉換為夾頭與環境的接觸力。雙自由度夾持裝置可完成夾取和旋轉的工作，該夾持裝置適用于各類液壓機械臂機械爪處，尤其適用于重載工況，其結構緊湊，功能完備，具有高集成化、高創新性等特點。然而由于液壓缸輸出力大，夾頭直接與環境接觸，往往會造成夾持力過大對接觸表面造成破壞，降低抓取工作的效率。阻抗控制具有柔順控制的特點，因此對夾持自由度采用阻抗控制。
2．2夾持裝置液壓系統建模
本研究采用AMESim-Simulink接口進行聯合仿真，液壓系統采用AMESim軟件中的Hydraulic元件庫進行模型構建，液壓缸內的壓力流量由伺服閥控制。所需液壓缸參數如表1所示。
2．3夾持機構運動學模型
為將導納控制方法運用于該重載液壓機械臂夾持機構并進行仿真驗證，對該夾持進行了運動學建模。夾持機構原理及參數如圖2所示，其中，x為活塞桿的相對位移，圖示位置處于零位，θ為夾持機構相對于連桿轉軸的轉角，圖示位置為θ0，b為活塞桿相對于連桿轉軸的最小距離，l為夾持機構夾頭長度，y為夾持裝置夾頭的開度。夾持裝置的運動學是指液壓缸桿長與夾持裝置開合位置的關系。根據夾持裝置的結構及相關結構參數，運用基本的幾何關系，建立桿長與夾持裝置開合位置的變換關系，實現夾持裝置的運動學建模，得到連桿轉角θ與活塞桿位移x的關系式(1)和連桿轉角θ與夾頭開合度。
2．4夾持機構動力學模型
夾持機構是一個單自由度多桿機構，假設該機械系統中的所有元件均為剛性體。為簡化模型，假設夾持裝置夾頭相對于轉軸轉動慣量J不變，其運動可以通過式(5)。
3夾持機構導納控制器設計
對于機械臂夾持機構的導納控制模型如圖3所示，其中F為液壓缸輸出力，由液壓缸所接壓力傳感器實現反饋以實現PID控制。
4仿真驗證
建立AMESim-Simulink聯合仿真接口，機械系統模型及接觸力模型由Simulink模塊搭建，如圖4所示，液壓系統模型由AMESim搭建，如圖5所示。構建PD控制器，選擇kp=1，kd=1，得到階躍輸入下的軌跡跟蹤曲線，如圖6所示。設計導納控制器，選擇Md，Bd和Kd，得到階躍輸入下無接觸力采用導納控制的軌跡跟蹤曲線，如圖7所示。由于阻尼Bd的存在，無接觸力情況下阻抗傳感器反饋信號很快衰減。導納控制器在選取合適的Bd時，無接觸力情況下與PD控制效果相近，驗證了導納控制器無接觸力情況下的穩定性。在y=5mm位置加入接觸模型進行仿真。首先對采用PD控制器的系統進行聯合仿真，得到系統的夾頭位置y、接觸力Fext的階躍輸入下的變化曲線，如圖8、圖9所示。在加入接觸模型后，對采用導納控制器的系統進行聯合仿真，取環境剛度160000N/m，期望剛度80000N/m，得到階躍輸入下采用期望阻尼Bd為50，500，5000N?s/m導納控制的位置y曲線，如圖10所示。在導納控制器期望剛度Kd與環境剛度接近時，系統和環境接觸力體現阻抗的性質，不能忽略環境和系統的剛度。系統在期望阻尼Bd不同時表現了不一樣的性質，期望阻尼Bd為50，500，5000N?s/m，夾頭位置階躍輸入下的y隨時間變化曲線，如圖10所示。導納控制器阻尼項系數越大，系統越穩定。當期望阻尼Bd為5000N?s/m時，夾頭位置y隨時間變化曲線與采用PD控制器的變化曲線一致。取期望阻尼Bd為5000N?s/m，環境剛度160000N/m，此時系統穩定，改變期望剛度Kd為500，50000，80000，160000N/m，得到階躍輸入下采用導納控制的位置y曲線，如圖11所示。不同的Kd使系統體現出不同的剛度性質，Kd越小，系統剛度值越小，Kd=500N/m時，系統剛度遠小于環境剛度，此時由于系統剛度很小，系統與環境的接觸力很小;Kd=160000N/m時，系統剛度接近或大于環境剛度，此時接觸力的變化曲線與PD控制器下的控制曲線相同，選取不同的期望剛度可使穩定時夾持力為0或在某一常數下振蕩，根據不同工況選取不同期望剛度，可使夾持裝置與環境柔順交互。取期望阻尼Bd為5000N?s/m，期望剛度Kd為80000N/m，此時系統穩定，取得較好的控制效果，夾持力保持在預設值上。更改環境剛度，使環境剛度分別為4×105，4×106，4×107N/m，得到階躍輸入下導納控制的接觸力曲線，如圖12所示。當環境剛度減小時夾持力減小，系統更快達到穩定，當環境剛度變大時，系統接觸力產生振蕩，趨于不穩定狀態，因此要根據環境剛度來設計導納控制器。經過仿真分析，設計導納控制器選取合適的期望阻尼和期望剛度，可使液壓夾持裝置與環境柔順交互并保持一定夾持力，期望剛度的選擇與環境剛度有關，與環境剛度不匹配的期望剛度會造成系統失穩，因此要根據液壓夾持裝置的作業環境設計合適的導納控制器。
5結論
本研究采用阻抗控制中的導納控制對救援機器人的末端液壓夾持裝置進行柔順控制，考慮液壓缸非線性摩擦力模型，同時對位置、力進行控制，通過選擇合適的控制器參數，使系統與環境之間獲得理想的剛度，保證夾持裝置與環境的柔順交互。通過AMESim-Simulink聯合仿真平臺，搭建夾持裝置模型。仿真結果表明，當期望剛度與環境剛度相近時，系統需要較大的期望阻尼，否則系統會出現不穩定的現象;調節期望剛度，可獲得理想的穩態接觸力，也表明采用導納控制器的夾持裝置與環境接觸力更小。
作者:郭志敏 蘇琦 張付 徐兵 單位:濰柴動力股份有限公司 浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室
