基于sm控制的dlrisi机器人灵敏度手控制研究

基于sm控制的dlrisi机器人灵敏度手控制研究

为了执行不同环境下的机器人操作任务，如天宫和服务。熟练机器人不仅需要设计不同的粒度结构设计，还需要稳定快速的神经系统，以完成与人类相似的快速响应。作为典型的机电一体化系统,机器人灵巧手控制系统结构很大程度受到其硬件结构的影响.外置式灵巧手多采用集中式控制系统,传感器数据处理,驱动器和控制器都在外置处理器上集中完成;内置式灵巧手控制系统则多采用分层式结构,其数据处理和驱动器均在各手指关节处就近处理,以实现集成化和内置化的目标,并减少数据传输和中央处理器计算负担.机器人灵巧手作为仿人机器人最为重要的组成部分之一,其控制系统需要能够保证灵巧手本身的高速实时数据采集和控制,同时还需要与仿人机器人控制系统实现无缝连接,从而真正实现联合臂-手-视觉的机器人仿人控制.DLR/HITII多指机器人灵巧手采用内置式设计,具有15个自由度和近百个各类传感器,其控制周期达5kHz.传统的分层式控制系统结构能够适应其多传感器和高集成度的特点,但缺乏与仿人机器人相融合从而实现仿人操作的能力;而目前的仿人机器人操作平台,如MCA,OROCOS和ORCA等,由于缺乏与硬件结构的紧密结合,从而无法满足机器人灵巧手的硬实时(5kHz)要求.因此面向仿人操作任务的机器人灵巧手控制系统结构设计和控制平台的实现是DLR/HITII机器人灵巧手完成仿人灵巧操作任务的关键和难点.由于机器人灵巧手的复杂性和被抓取物体的多样性给灵巧手抓取规划带来了很大的计算量,目前尚很难实现实时抓取规划.因此如何降低抓取规划的复杂性成为抓取规划领域的热点和难点.基于对人手的抓取模式研究,Eigengrasp等和Posturalsynergies等将灵巧手的高自由度(12～20)降低为2～5个自由度,称之为principalcomponents(Eigengrasp)或synergies(postrualsynergies),从而降低了抓取规划的复杂性.然而以上研究的前者主要从机器人智能规划的角度进行分析,属于离线规划,不具备实时控制性;后者重于分析基于synergies的抓取过程中运动和抓取内力的控制及如何保证抓取稳定性,synergies由各关节的简单耦合实现,在减少输入控制量的同时也降低了灵巧手的灵活性,没有充分利用灵巧手的高自由度特性,并缺乏柔顺性,仅获得模拟结果.灵巧手同步协调控制实现了DLR/HITII灵巧手各手指基关节的同步控制,但缺乏对手指指尖关节的控制,因而无法进行精确的抓取操作.结合指尖6维力矩传感器,并基于机器人臂空间6维虚拟弹簧的阻抗柔顺控制思想,四指灵巧手空间阻抗控制被应用于DLRII4指灵巧手上,但缺乏任意n指灵巧手的空间协调阻抗控制能力.1模仿人类手动真实时间控制平台1.1itiii控制系统模型基于集中控制和分层数据处理的思想,DLR/HITII多指机器人灵巧手控制结构系统结构主要由三层构成,所有的运动和力的控制,传感器数据采集、处理以及数据传输都在实时环境下完成.1电机驱动ahdl由手指DSP和基关节FPGA实现传感器数据采集、处理及电机驱动;其中FPGA用硬件描述语言(VHDL)直接进行电机驱动,并构成多种通信接口;DSP处理器集数字和模拟信号器,以及电机驱动模块为一体.DSP/FPGA驱动控制结构在减小控制器复杂程度和占用空间的同时,提高了电机驱动性能,以及数据的处理和通信速度.2灵活控制层由手掌FPGA和DSP/PCI控制卡构成,完成传感器数据信号传输和预处理,并且为驱动控制层分配控制信号;实现灵巧手与实时控制层的多种实时和非实时通信方式,以满足灵巧手在不同应用环境中的使用;同时在一些特定情况下能够独立完成灵巧手的控制任务,比如受空间和重量要求无法携带QNXPC.3灵明式的lr/fig注重高节点、恶意手控制系统基于Matlab/Simulink完成关节空间、笛卡尔空间以及物体空间的控制器设计,在实时系统QNX或者VxWorks中运行.在DLR/HITII5指灵巧手的控制过程中,任务规划计算所得出的手指最佳抓取点和抓取力由多点非实时通信模块传输到实时控制层,根据要求的控制方式和控制目标实时计算出灵巧手手指各关节的驱动信号,然后通过实时通信系统经由嵌入式通信与控制层,将驱动信号传输到驱动控制层,由手指FPGA和DSP驱动控制电机,从而完成灵巧手的各个关节的期望控制目标.控制和通信周期为200μs.灵巧手控制系统结构如图1所示.1.2sim选型由于机器人灵巧手在硬件结构上的复杂性,其软件操作平台需要能够充分发挥硬件系统的硬实时计算能力,同时协调实时子系统和非实时子系统完成任务;而且还需要能够支持从模型建立到控制应用的快速开发过程,以适应飞速发展的控制理论和硬件系统,以及不同领域研究的融合.相比较于传统编程的控制器设计方式,Simulink的图形化建模和丰富的应用库使得设计过程更为便捷,可维护性和可读性更高,这也使得不同研究领域、不同功能模块之间的集成更易于操作.不同的程序语言可以通过S-function的方式在Simulink中同时使用,为在Matlab/Simulink中开发硬件相关的驱动和通信程序提供了很大的便利.利用Simulink的扩展工具箱RTW(realtimeworkshop),基于Simulink的控制器模块可以自动生成可执行代码在实时系统中直接运行.为了保证灵巧手实时操作平台的硬实时性及鲁棒性,采用了QNX作为运行控制器的实时内核.Simulink的RTW工具箱并不支持QNX实时操作系统的自动编译和代码生成,因此在一般实时目标语言编译器grt.tlc的基础之上编写了可以满足灵巧手实时平台要求的目标语言编译器.为保证系统的硬实时性,采用了基于FPGA并满足LVDS标准的高速串行实时通信协议.Simulink-QNX软件平台包括以下模块:1) 目标语言编译器,用于Simulink模型代码自动生成;2) 灵巧手应用层接口API,包括数据结构和应用函数定义;3) 实时通信接口驱动程序和S-function接口.通过以上3个软件模块,实现了MATLAB/Simulink-QNX和灵巧手系统的无缝连接,并满足灵巧手控制系统硬实时性的要求.1.3系统通信接口将各个独立的实时控制模块(机器人手、臂控制器)和非实时控制模块(机器视觉、运动规划和用户界面)连接在一起,是实现复杂机电一体化控制结构的另一个关键环节.采用基于分布式思想网络连接方式,从而实现灵巧手实时控制平台在整个仿人机器人环境中的集成和应用.这种分布式网络连接主要包括以下3个部分:1) 接口函数库:独立模块输入输出接口的实现基于此接口函数库,这使得整个实现过程易于操作和控制;2) 通信接口可执行程序:用以支持不同PC之间,不同系统系统间的通信连接,包括QNX,VxWorks,Linux和Windows;3) Simulink接口模块:用以支持Simulink模块之间以及其它模块与Simulink模块之间的通信连接.通信模块数据接口大小和数据包结构根据具体通信任务在编译期间确定.接口之间的匹配连接通过接口名和端口号确定,当两接口具有相同的接口名或端口号时,通信网络接口开始建立.分布式通信接口可以基于UDP传输,也可扩展应用于Ethercat等实时通信接口.在QNX实时系统中,通过分离网络堆栈和设定任务的优先级,可以达到1kHz的实时通信.在不同PC上建立2个相对应的分布式通信模块,可以实现在不同PC之间,不同系统(实时或非实时)之间的通信连接,如图2所示.由于分布式通信模块及其接口函数的内置性,基于Matlab/Simulink-QNX实时平台,不同控制模块采用S-function的方式结合分布式通信接口形成Simulink通信接口,从而构成不同控制模块之间的分布式网络连接.由MATLAB/Simulink-QNX实时控制层,分布式通信模块和机器人虚拟模型所构成的仿人灵巧手控制平台结构如图3所示.2多臂空间协调阻力控制战略2.1坐标系的建立多指手物体空间坐标系的建立与手指指尖位置相关,并适用于n≥3个手指.由于灵巧手各手指与被抓取物体之间没有相对滑动,坐标系中心xo与物体质心虽不重合,但没有相对移动,可以将xo考虑为被抓取物体上的一点.xo定义为n个手指指尖位置的中心:xo=x1+x2+⋯+xnn.(1)xo=x1+x2+⋯+xnn.(1)式中:xi(θ)为第i个手指指尖笛卡尔位置.基于物体抓取力各手指平均分配的原则,物体坐标系∑o=[Ro,xo]∈SE(3)由各手指指尖位置线性生成.坐标系定向矩阵Ro=[ro1ro2ro3],其中第一轴ro1可表示为ro1=v1+v2∥v1+v2∥.(2)ro1=v1+v2∥v1+v2∥.(2)式中:v1=n∑i=0(-1)ix2i+1-xo∥x2i+1-xo∥‚(3)v2=n∑i=1(-1)i+1x2i-xo∥x2i-xo∥.(4)物体坐标系第三轴ro3垂直于向量v1和v2所线性生成的平面:ro3=ˆv1v2∥ˆv1v2∥.(5)式中:斜对称矩阵ˆv:R3→R3×3:ˆv=[0-v3v2v30-v1-v2v10].(6)物体坐标系第二轴ro2可表示为ro2=ro3ro1.(7)2.2空间旋转弹簧电机驱动力和空间接基于无源控制思想,空间协调阻抗控制策略由当前物体坐标系∑o和目标坐标系∑d之间六维位移的弹性能量生成.此六维位移可由以下3个虚拟弹簧结构来描述,即空间平移弹簧、空间旋转弹簧和空间连接弹簧.为保证控制器的渐近稳定性,空间平移弹簧储存能量选择为Vt=12ΔxoΤodΚtΔxood.(8)式中:Δxood=RΤo(xo-xd)(9)为相对于当前物体坐标系的目标位移差.Kt=ktI为平移刚度对角矩阵.空间平移弹簧所产生驱动力矩可由其能量的导数得到˙Vt=[(˙RΤoΔxod)Τ+RΤo˙xo]ΚtΔxood.(10)式中:KtΔxood=ft为相对于物体坐标系的平移驱动力矩.将驱动力矩映射到各手指的关节力矩空间中,得到空间平移弹簧的电机驱动力矩τt:τt=JΤtft.(11)Jt=∂RΤo∂θΔxod+(RΤo∂xo∂θ)Τ.(12)空间旋转弹簧储存能量选择为Vo=2ϵoΤodΚϵood.(13)式中:Ko=koJ为旋转刚度对角矩阵.ϵood为单位四元数{ηod,ϵbod}的向量部分,由Roe=RToRd生成.空间旋转弹簧所产生驱动力矩可由其能量的导数得到˙Vo=2[RΤo(ηodΙ-ϵod)ωo]ΤΚϵood.(14)式中:ωo=(RΤo˙Ro)∨为相对于物体空间的角速度,∨为反斜对称矩阵操作符.mo=Koϵood为相对于物体坐标系的旋转驱动力矩,将此力矩映射到各手指的关节空间中,即得到空间旋转弹簧的电机驱动力矩τo:τo=JΤomo,(15)Jo=2RΤo(ηodΙ-ˆϵod)ωo∂θ.(16)空间连接弹簧储存能量选择为Vc=12Κcn∑i=0(∥Δxi∥-ldi)2.(17)式中:Δxi=xi-xo,ldi为设定弹簧压缩长度,根据稳定抓取所需抓取力选取,Kc为连接弹簧刚度对角矩阵.空间连接弹簧空间连接弹簧所产生驱动力矩可由其能量的导数得到˙Vc=Κcn∑i=0(∥Δxi∥-ldi)∥Δxi∥.(18)式中:fci=Kc(‖Δxi‖-ldi)为第i个手指的连接弹簧驱动力.将驱动力映射到第i个手指的关节空间中,得到空间连接弹簧的电机驱动力矩τc:τci=JΤcifci.(19)Jci=∂|Δxi|∂θ.(20)式中:τci为第i个手指的连接弹簧驱动力.因此空间弹簧的关节驱动力矩为τΔ=τt+τo+τc.(21)空间协调阻抗控制律设计如下:τ=-τΔ-Dvo+Ν(θ)+τext.(22)式中:N(θ)为无源力补偿(重力和摩擦力),τext为关节力矩反馈.vo为空间弹簧中心相对于物体空间坐标系的速度:vo=Jotc˙θ,(23)Jotc=[JΤtJΤoJΤc]Τ.(24)2.3旋转和平行控制实验空间协调阻抗控制器在DLR/HITII5指灵巧手及其实时控制平台上进行试验.DLR/HITII灵巧手的5个手指为模块化设计,可以互换并组成不同手指数目的机器人手,以适应不用的应用任务要求.实验中应用3指、4指、和5指的空间协调阻抗控制,对不同重量和形状的物体分别进行平移和旋转阻抗控制实验.控制及被抓取物体参数如表1和表2所示,其中I为单位对角矩阵,n为手指数目.DLR/HITII多指灵巧手空间协调阻抗控制实验包括旋转和平移两部分.3指空间协调阻抗控制旋转实验结果如图4(a)所示,被抓取物体受空间协调阻抗控制器驱动绕z轴转动Δγ=0.7rad;平移实验中,被抓取物体沿x方向移动Δxox=0.2m,实验结果如图4(b)所示.4指空间协调阻抗控制旋转实验结果如图5(a)示,被抓取物体受空间协调阻抗控制器驱动绕z轴转动Δγ=0.6rad;平移实验中,被抓取物体沿x方向移动Δxox=0.02m,实验结果图5(b)所示.5指空间协调阻抗控制旋转实验如图6(a)所示,被抓取物体受空间协调阻抗控制器驱动绕z轴转动Δγ=0.4rad;平移实验中,被抓取物体沿x方向移动Δxox=0.015m,实验结果如图6(b)所示.旋转和平移控制阶跃响应结果表明物体旋转和平移均在5ms内达到稳态,并具有较好的稳态精度,物体旋转角位移Δγ收敛于小于0.01rad的稳态值,平移位移Δxox收敛于小于0.01m的稳态值.拇指处于其他手指的对立面,因此连接力fc1大于其他手指,说明拇指是抓取控制过程中最为灵活和重要的手指,其空间结构配置和自由度对抓取操作起到决定性作用.从实验结果可以看出,基于空间虚拟弹簧的协调阻抗控制所产生的平移力和旋转力之间耦合很小,可以完成稳定的旋转和平移控制.实验结果表明,空间协调阻抗控制器可以应用于不同手指数目的机器人灵巧手,并获得稳定的控制效果.5指协调控制所抓取物体质量最小,刚度最大,稳定性较好而阶跃响应稳态精度最低;3指协调控制所抓取物体质量最大,刚度最小,然而阶跃响应过程稳定性较差,稳态精度较高.因此手指数目越多,其稳定性越高,但是由于手指本身的摩擦力和手指之间的耦合力,随着手指数目的增加,多指空间协调阻抗控制的稳态精度逐渐下降.多指空间协调阻抗控制MSI(multi-fingeredspatialcoordinatingimpedancecontrol)与Eigengrasp(EG),Postrualsynergies(PS),多指灵巧手基关节同步协调控制SCB(synchronizedcon