仿人靈巧手的EtherCAT通訊系統(tǒng)及阻抗控制研究.pdf

1、機器人靈巧手是由單手指串聯機器人和指間并聯機器人組成的機器人系統(tǒng)，是多領域的交叉技術的結合，包括機械結構設計、電路設計、傳感器設計和軟件控制算法設計等。本文以HIT/DLR II靈巧手為本體，以國家科技部863課題“新一代五指仿人靈巧手的結構設計及抓取操作的研究”為背景，目的是設計一套通訊速度快，實時性好的靈巧手控制平臺。同時，該平臺具有易于實現HIT/DLR II靈巧手復雜算法的特點。進而，基于此實時性控制平臺，以具體的抓取與操作任務

2、為目標，提出一套可應用于靈巧手實際抓取與操作的阻抗控制器算法策略。
　　本文首先分析了靈巧手通訊的發(fā)展現狀，針對現有靈巧手通訊存在的問題，結合HIT/DLR II靈巧手自身特點，得出了EtherCAT總線是目前最適合本文設計 HIT/DLR II靈巧手實時性通訊需求的結論。進而，設計了一套HIT/DLR II靈巧手的EhterCAT控制系統(tǒng)平臺，具體包括EtherCAT從站硬件電路系統(tǒng)設計，FPGA從站 EtherCAT軟件控制器

3、系統(tǒng)設計,EtherCAT主站TwinCAT3.1的PLC靈巧手函數控制層系統(tǒng)設計，以及聯合Matlab/Simulink與TwinCAT3結合的Simulink模塊算法調用設計。搭建了基于EhterCAT通訊的HIT/DLR II靈巧手控制平臺，為本文HIT/DLR II靈巧手動力學的建模以及控制算法的實現提供了實時性、可靠性的控制平臺。
　　對于五指仿人靈巧手動力學模型建模的精確性，有助于更準確的對HIT/DLR II靈巧手進

4、行精確的位置控制、指尖輸出力控制、力與位置混合控制，以及主動柔順控制。本文通過對笛卡爾空間下，手指參考坐標系的討論，闡述了手指指尖位置、速度、角速度、加速度和角加速度之間的關系。以單指動力學為前提，通過對雙指動力學指間約束關系的討論，建立了HIT/DLR II靈巧手雙指的動力學模型，進而得到了靈巧手的多指動力學模型。最后，基于EtherCAT三重中斷從站 PDI設計方式，將基于乘子法建立的多指動力學模型應用到EtherCAT平臺中，從而

5、確保所提出多指動力學模型的可應用性。
　　本文針對HIT/DLR II靈巧手在等式約束條件下，首先對靈巧手手指在自由空間無約束的情況下，對單手指阻抗控制器解的存在性、充要條件、收斂性和收斂速度進行了理論分析，進而在靈巧手手指指間有約束的情況下，對外環(huán)阻抗控制器力優(yōu)化的充要條件和靈敏度進行了理論分析，通過靈敏度函數得出了拉格朗日乘子λ*隨著靈敏度函數的增長而遞減的變化率的結論。與精確懲罰函數法、障礙法相比較，基于拉格朗日乘子法算法設

6、計的控制器，具有實時性更好、指尖力非線性規(guī)劃速度更快和魯棒性更強的特點，所以HIT/DLR II靈巧手基于拉格朗日乘子法理論設計阻抗控制器。通過構造增廣拉格朗日函數LCk(θk,λk)，提出一套雙環(huán)阻抗控制器的指尖力優(yōu)化策略，從而設計一種具有等式約束的基于拉格朗日乘子法的阻抗控制器。
　　對于HIT/DLR II靈巧手實際操作物體的情況，等式約束僅是一種特例，實際絕大多數情況是為了完成某種特定的任務，從而指尖不等式約束更具有實用性

7、。因此，本文最后針對不等式約束抓取問題，提出了一套基于拉格朗日乘子法的不等式約束阻抗控制器設計策略，即包括了基于Broyden Fletcher Goldfarb Shanno(BFGS)法的無約束單指力優(yōu)化內環(huán)算法和基于Karush Kuhn Tucker(KKT)法的有約束外環(huán)算法。實驗結果表明基于EtherCAT的HIT/DLR II靈巧手平臺，可以達到高速、實時、穩(wěn)定性好的操作效果。同時，本文提出的不等式約束下的雙環(huán)阻抗控制算法