双臂机器人:双臂协调控制策略详解

1 总述

机械臂是一种由多关节组成的串联机器人,无论在医疗卫生、日常生活、航空航天还是军事等方面机械臂帮助人类完成大量的工作,对于我们的生产生活发挥了重要的作用。双臂相对于单臂将发挥着更多更大的作用,双臂是以单臂为基础,同时也是单臂任务的扩展。从任务层的角度分析,工业生产中搬运大型物体的操作任务,医疗中的手术任务。双臂系统的硬件平台、控制系统设计以及控制理论完善一直是目前的研究热点

双臂系统可以模拟人的两只手臂的运动,从而使得机器人向类人化操作迈出更加重要的一步。双臂系统加上机器人腰部,上肢,以及头部的运动平台始终处于研究热点。而基于此平台的研究也始终朝着类人化的操作迈进。

2 典型的双臂系统

典型的三款双臂机器人系统,它们分别是日本本田公司的ASIMO德国DLR的Rollin' Justin美国宇航局的Robonaut

三款双臂机器人系统
ASIMO
Rollin' Justin

Robonaut

  • 日本本田公司的ASIMO作为当今在家庭服务领域比较先进的双臂系统操作平台,他主要完成了端茶盘,推车两个典型的双臂紧协调操作任务。ASIMO身高130厘米(4英尺3英寸),重54公斤(119磅)。 本田公司进行的研究发现,出行辅助机器人的理想高度在120厘米和一般成年人的高度之间,这有利于操作门把手和电灯开关。ASIMO由51.8 V可充电锂离子电池供电,工作时间为一小时。 2004年从镍氢换成氢化物后,ASIMO在充电之前可以工作的时间更长。ASIMO具有由本田公司制造的三维计算机处理器,它由三个堆叠的芯片,处理器,信号转换器和存储器组成。控制ASIMO运动的计算机位于机器人的腰部区域,可以通过PC,无线控制器或语音命令进行控制。
  • Rollin' Justin的上半身共有43个可控制的自由度,自由度是定义机器人配置的独立因素的数量它不仅可以从地面上捡起东西,还可以拿到约2米高的物品。机器人在其关节处还具有扭矩传感器,该扭矩传感器可以使其操纵手臂和手。如果Rollin' Justin要去太空,这里的人可以穿着外骨骼来控制它,这是手臂和手套的结合。人们可以使用Matlab或Simulink等基本编程工具进行控制。同样,如果Rollin' Justin要呆在家庭环境中,人们将可以通过iPad对其进行控制。
  • Robonaut是在德克萨斯州休斯顿的NASA约翰逊航天中心建造和设计的灵巧类人机器人。与人类并肩工作,或将风险带到对人来说太大的地方,robonauts将扩大我们的建造和发现能力。 这项工作的核心是一种我们称为灵巧操纵的能力,这种能力体现为能用一只手进行工作的能力。

3 双臂系统协调控制问题研究

双臂机器人的协调控制方法主要分为以下几类:

位置控制是只研究两条臂之间的位置关系,从而实现对物体的操作。这种方法对两臂的运动学参数要求较高,需要对臂进行很好的标定,适用于系统的位置柔性比较大的情况。对于机器人与外部环境交互的情况下,纯位置控制的机器人很难与机器人完成很好的交互。但是双臂位置协调控制的算法和理论是双臂机器人力控制的基础。

主从控制是将一条臂视为主臂,一条视为从臂,主臂按照预定的轨迹运动,从臂在操作物体上施加一定的力,跟随物体运动。传统上,主从控制中,主臂仅采用纯位置控制,而从臂只采用纯力控制,后来Hayati引入了一种广义的主从控制方式,主臂和从臂都引入了位置与力的控制,两条臂位置控制可以保证机器人协调作业,而力反馈可以保证机器人协调运动中的一些约束关系的满足。主从控制方式的控制器为两个,两个控制器之间通过协调器进行数据之间的交流,因此两条臂之间的控制命令存在耦合的情况,不利于操作的稳定性。

力/位混合控制的提出克服了主从控制在处理双臂协调性问题上的不足,它将两条机械臂不分主次,使两者发挥相同的作用,并且两条臂采用相同的控制器,很好的解决了两条臂控制命令耦合的情况。但是,力/位混合控制在双臂协调中存在力控制和位置控制之间转换的问题,尤其在操作状态发生变化的情况时,双臂系统力控制和位置控制存在阶跃跳变的情况,对于稳定操作物体非常不利。

阻抗控制的特点是不直接控制机器人与环境的作用力,而是根据机器人端部的位置(速度)和作用力之间的关系,通过调整反馈位置误差、速度误差或者刚度来达到控制力的目的。阻抗控制通过不断调整刚度系数,有效地避免了在状态切换的过程中力或者位置控制存在跳变的情况。但是,阻抗控制实现力跟踪存在需要对接触环境的信息要精确地了解的不足.

4 本章总结

双臂机器人系统是单臂机器人系统的延申和扩展,相对于单臂机器人系统,双臂机器人系统需要处理好双臂之间的协调关系。本章仅仅是针对双臂系统的一些基础概念进行解析,后续会继续更新双臂系统设计与控制的技术点。

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