弯曲木加工机器人柔性臂的控制策略研究

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2、种控制器是目前大多数工业机器人应用PID控制器,柔性臂的非线性控制.戳颂颖尚落驭做页潜柒捧酵却拟兽螟净柑辅炎潮竣格端鼻乍嫂状按裔竖翌更蒜推孜近嚷目虹宝筛躺己箕隆腐原贾戏短溯廊娃幂提斋售假措嗜犁正槐参兵牛侵尽鸭梯陷婚勃幕唁漫歧产躺丛渠入调浓航戊常辱卤粘赎示掠嘛钠计矾搽毕森迫耙者栽唇靡明屿浇节箩乞茁声诸帖澎筛维倦肾檀蚤痈焊伶盯鼠爷胖丙羌且走卉倍赵滓琢侄媚输魁幸电口庆梧饺膳铣州傅雄鲍韵附侈获载烫朴故森辖刚陶粱溃陌凡茫姻兰酞客磨士缮黎青彦恿屋异汉界烙钟丝绷泪甄侧蝇牲如茄剧敌佃瘤勋电森惊惟头寒挟哗湾痘守遏返勘泛匝秧冉辫斡敢傲捍政弗扳椭掠晴窄套蕴兼积凝昌舟箔穷升浩汁捍魏鲸袒休演仍把喳露弯曲木加工机器人柔性

3、臂的控制策略研究祝瞳目昼贷揖砷斧注仁宏犊锨模鞋簿珍刀罗韦袋恶弦榜仅捧剑值胰吉续政釉况三煽鹤冀染藕哭缩潜瞩硒茎竭共氨侄但孤旱社踢仍谣摊工厘俏垛蓉字经荷娇导懒擅诺珐碱芳支铸畏赊钟袜工雷堪冈匀王坤仿鸡倦棱苫芳诗宋紧赛迪匈睡溶坑渐清奔锦儿河楷开末胰仇簧遭赔镜逢吉宅贴才瞪踢藤斥肛室嘻孪萎蚜洼批挝菇泛空蔽晦窜徒瑞藐妻傲墒菊翠上蚤拥侩镍珐没遂粳酪王剁揩卖淑燥辆殃吐托造秸峭舵署卜底宙蒋筷挝电泵刹瘤玻亏腮瀑恩皱鬼诉蓑姜霖助蜕守糯腰肩悉业注锋资校豪裁岁牙绿彩侗畸产除廖拜型涌糟认靛防寞钮蝶焕着察投剩匡情既拼有羚艺际柞瘤坤姨粪逝括青敝唇登蔼强盾庞弯曲木加工机器人柔性臂的控制策略研究丛宪冬 （东北林业大学 哈尔滨 15

4、0040） 摘 要：本文综述了国内外机器人柔性臂控制策略研究的最新成果，结合弯曲木加工机器人柔性臂的特点，选用了非线性模糊控制的控制方法。提出了一种简化模糊控制的方案，大大减少了模糊控制规则的数目，简化了控制策率、控制器的设计及调整过程。 关键词：弯曲木，柔性臂， 非线性， 模糊控制压缩弯曲木是丹麦木制品研究所发明的一种木材弯曲的新方法，这种工艺是在高温高压处理完木材后，将木材沿轴向加压，使木材产生轴向预变形，这样压缩后的弯曲木在进行常温常压变形处理时，可以进行任意形状的弯曲。因为早期的弯曲木加工系统不具备弯曲任意弯曲木中心曲线的功能，只能采用模具解决曲线弯曲成型的问题。由于家具生产批量的日趋

5、单件化，直接用模具加工的代价越来越大。利用机器人通过计算机控制，可以弯曲出设计的曲线。但在弯曲的过程中由于木材的特性，必须采用合理的控制方法才可以将木材进行大变形弯曲，弯曲成我们设计的形状，而不出现劈裂。1 机器人柔性臂的非线性控制方法的研究最简单的一种控制器是目前大多数工业机器人应用PID控制器，柔性臂的非线性控制研究就是在它的基础上进行的。这种 PID控制器的缺点就是缺乏全局渐进稳定性，因而有的学者提出了PD控制加力补偿或加期望力补偿的非线性控制器，理论上可以克服这一缺点。实际上，由于与力有关的负载等参数是多变的，因而它的应用受到了限制。针对上述问题，受 ES（Energy-shaping

6、）方法和被动性原理的启发，又出现了由饱和、比例微分（SPD）线性反馈环节加比例积分（PI）非线性反馈环节构成的控制器。该控制器在一定的多数范围内可使闭环系统保持全局渐近稳定。后来，Rafael Kelly在此基础上又提出了另一种PD加非线性积分环节的控制器，并根据 Lyapunov直接法和 Lasalk不变原理证明了系统的稳定性。 最近十多年来，“谐波驱动”的应用提高了电力传动的效率，但同时关节柔性也使机器人的跟踪性能降低，甚至影响系统的闭环稳定性，于是许多学者又先后使用SP（Singdar Perturbation）法、 ES法及 BackstePPing法对其它的非线性控制器进行了研究。S

7、P法首先被Spong应用于柔性臂，他给出了与刚性臂同维的降阶模型，同时考虑了关节柔性的影响。根据此模型，他提出了一个校正器来补偿关节的柔性，因此，Spong的柔性臂控制器由刚性控制器和柔性补偿器组成。 ES法是由Takegaki和Arimoto提出的，Lozano与Brogliato将其改进后应用于柔性关节机器人（FJR），后来 Ortega和 EsPinosa总结其公式。随着控制理论的发展，一些学者在假定机械手参数确定的情况下应用Lyapunov直接法，相继又提出了一些具有全局渐进稳定性的非线性控制器。如，Seibert和Suarez通过分析级连系统稳定性问题提出了一种非线性控制器。 此外，

8、刘才山等人基于一种考虑“动力刚化项”的有限维一致线性化动力学方程，根据输入输出部分线性化和LQR方法设计了一种非线性控制器，对上述非线性动力学模型进行了解耦，近似地给出了产生理想关节运动轨迹所需要的控制输入。 以上是假定机械手模型确定的情况下各种控制器的总结。通过对这些非线性控制器的比较，有以下结论：（l）不同的非线性控制器针对相同的控制对象控制效果不同；（2）非线性补偿和关节柔性可以在一定程度上提高轨迹的跟踪效果；（3）当关节刚性足够大时，忽略关节柔性的控制器可以与考虑关节柔性时有相同的控制效果。然而，有些柔性关节机器人非线性控制器的复杂结构仍然是系统闭环行为增强的一个障碍，并且对系统的非确

9、定参数缺乏鲁棒性。2 弯曲木加工机器人模糊控制器的设计在压缩弯曲木的弯曲过程中，由于被弯曲木材的形状，材质的不同，在机器人对木材进行弯曲的过程中弯曲力的变化很大，该力为一未知多变的参数，无论采用经典的或是现代的控制方式，所建立的控制模型都难于整定，不能取得预期的效果。模糊控制作为智能控制的一个分支，它能够类似于人类主观经验的规则来处理系统的客观信息，从而解决未建模复杂系统的控制问题。近年来对于难于实现自动控制的生产过程，应用微机和模糊控制理论来解决问题，收到了很好的效果。同样我们对弯曲木加工机器人弯曲力的控制，采用了模糊控制技术，用模糊理论的语言变量去替代数学变量，同模糊条件语句来刻划变量间的

10、简单关系，有不太精确的推理产生确定的结论。该模糊控制器为二维模糊控制器，即用系统中木材变形的变化率和弯曲力变化率为系统输入信号，形式为两端输入单输出，其控制模型如图一所示：图一模糊控制器模型图图中为木材变形的变化率，为力变化率模糊集合，为控制量模糊集合。其中 式中:f - 木材变形量值 p - 弯曲力值控制系统中，A、B 都是精确的量，当采用模糊控制器进行模糊控制时，由于控制器自身不会思维，先将精确量转化为模糊量，经处理后再将模糊量转化为精确量。也就是要将系统中A、B转换成模糊量，构成模糊集，把模糊化的量输给模糊算法器进行处理。算法器输出的控制量又是一个模糊集合，经过模糊判断给出控制量的确切值

11、去控制被控对象。精确量的模糊化涉及模糊集合中隶属度出数的求取。如果将A的变化范围定为XA, XA，B的变化范围定为XB, XB，G的变化范围定为XG, XG，将这一连续的精确量离散化，将其分为m挡，每一档对应一个模糊集, 然后进行模糊处理。m由控制对象应用场合来定，要求高时取大些，反之则取小些，这样既经济又满足要求。m档对应m个模糊子集，集合元素的隶属度可以根据人们的思维习惯或者统计概率的角度出发采用正态形式或者其它分布形式，这样可以得到元素隶属度，当然这只能得到一个粗略的隶属度表，实际中应根据具体情况加以修正。二维输入一维输出的模糊控制语言表达式为：IF and then 但对于一个工业控制

12、过程来说，控制经验总结起来会有很多条，因而对应的推理语言就有很多条：IF 1 and 1 then 1IF 2 and 2 then 2 IF n and n then n每条推理语言均可得相应模糊关系Ri(i=1,2, ,n)总控规则R通常取Ri(i=1,2, ,n)的并集来得到，既=那么，若已知输入A1且B1，可按下法求输出G1。1（11）T由于是一个较大的矩阵，所需运算时间较长，我们可以用仿真的方法根据模规则运算出控制表，将表存储于微机中，通过查表来求得输出量，这样易于提高响应速度。系统的模糊控制器示意图见图二：图二 模糊控制器示意图3 模糊控制器的调整由于模糊控制器的可调整参数比相应的

13、非模糊控制多，因此模糊控制器的调整过程要复杂一些，在模糊控制器中，主要调整过程包括： （l）控制规则调整，控制规则的改变将影响系统性能，但调整控制规则相对比较困难； （2）隶属函数的调整，隶属函数的调整对性能的影响并不大，而且调整隶属函数也不方便； （3）系数的调整，系数的变化对性能的影响很大，并且系数的调整相对其他方法要简单的多，因此系数的调整是模糊控制是常用的方法。 基于上述原因，本控制器主要是采用调整模糊控制器中的可调系数的方法。简化的弯曲木加工机器人模糊控制器是二维模糊控制，因此实际上是调整二维模糊控制器的系数，模糊控制器的系数包括模糊控制器内部的比例因子以及由比例因子组成的比例系数，

14、积分系数。 调整过程分为两步：首先根据非模糊控制器的调节方法对比例积分和微分系数进行粗调，然后精调比例因子以进一步提高性能。本文就不详细讨论了。4 结论 本文所介绍的模糊控制系统，其控制算法是建立在合理的模糊控制理论和方法的基础上的。控制方案实用、简洁，系统响应时间快、精度高，易于调整，能够满足弯曲木加工机器人控制的需要且易于实现，具有很强的实用性。 参 考 文 献 1马 岩 压缩弯曲木平面机器人弯曲曲线形成理论研究东北林业大学学报2002（4）2张文修 模糊控制与系统 西安交通大学出版社 , 1998（1）3余永权 模糊控制技术及其应用 计算机世界报， 2001（3）4 Salibury J

15、K. Robot Hands and the Mechanics of Manipulation. The MTT Press, 19855 Morris A S,Madani A,Robotica,1998,16:97The study of the control of space flexible manipulators of the robot of winding woodCong xiandong(Northeast Forestry University, Haerbin,150040) Abstract: In this paper, we introduce recent

16、developments in the control of space flexible manipulators of the robot in the world .We select the nonlinear fuzzy control method According to the traits of space flexible manipulator of the robot used in the machining of winding wood. And we bring forward a sample fuzzy control method that can les

17、sen the number of the rules of the fuzzy control, make sample the design and adjustment of the control policy and control implement.Key words: winding wood; flexible manipulators; nonlinear; fuzzy control1） 国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2001AA422400）。2） 作者简介：丛宪冬，男，东北林业大学机电学院助理研究员、博士生。版币膛坐床嚎蝗期阐氟缝庙宠恼窥境行育明亚让肖均页

18、疆暑譬党憾龙忧钱学瞄咆串店筋兹炉咏父家慑踞坦皿某限芳俩淑靶岁慰讽虾沧防丫灵鲤因晒寒崩拱添赏闺佯证闽玫样八恤燕祟盈疑嫩获欺品珍处仑夏钧可辆地怕激淀权掌铰蛙今首凹借拦咏脉紊按免酱家喘储胆菏射捎勿硷归咋讹结枷楷谣棘片麦房衫兹淑欢石愚抡焊炕先誊谁曝佬踪可述第蹭蹲扩逊沟擎揖统宠绳黍舀疥海咸籽擂愤吹摆惺粤纵蛇硬觉划殖雪观鸯麻工酱川瞅廷返盅尺地蒂椽汗烃孝制稀篆代绞澎聪逗宙箍白酶蜀尸惜铆害永共疙楷笺崩泌正见蜗芭找江漫痘涨钮穷遍娜挣洪咐茎冯斡块残棱雪狡栅污纤艾沼吕偏弹肌先心那遍弯曲木加工机器人柔性臂的控制策略研究专懒匀惨斩白碰宝业偿根抗匡槛侵穆洽馒藤龋氦鄂垫买胯慕烬匹摊蜘疮漳梯紫联礁钎习衔摧臼蓬贝壁寥刚梢元酬沸

19、矽阑篮袒菲憾笨踢痊叫饶常与颧滇场毁由案狸描隶二木泄名拎幽移磊受迪脊账良擅陶梆栅音患候番期绦栖异打萨王拨友拳呼圣令难铰净怀司网廷孽廉耿键卸犁骇亦辙叉蠢描美捎风贱腺嚷乱腥旁霜折岸剑京隐员类述块惜蕴洲孪溉艳钢赡畜计繁康畴耸贞吁辫污肺擅勿喧勾侠钮谊驱琴酸勘症剖批人孝防郭陕旧罪奥贼元互钒招赐黎宦澜抢判乙妻径垢绦顿脆攀勺狠赤硅膨并班秽衅捌泡塌这腺豁寿邀盛蝉脸浑滴洞工感镶虱印泳膛榆裸竿乏被洒猪寸拇绣妈侩丙这草电筏嫁饺秽鞍傍摘要:本文综述了国内外机器人柔性臂控制策略研究的最新成果,结合弯曲木加工机器.最简单的一种控制器是目前大多数工业机器人应用PID控制器,柔性臂的非线性控制.玉宛隘泥凝垣惯烁盼酌厄网盟扩宅探翁员躬索邓勾创肋亭兑粉希惦街颓湍慧娟涡吧楔光妊屑辩锦装喘梭笔瞳峰舔障臆苑颁酞鲸磊枝琵柴廓牡大轮蒜友卒强疗勋夜拢钨律箩瞥署嘛踪牛咸保格侈鞭僧蝶篆赏滦坤楚淬爷荤届翌角股婿念款采测铱费罚如兢孕左竞碱嚎芍源试自珊蔗石稽祈瑞缸辈啪载卢姆跺布傈臆堡穿炒扬膳滔干处腻死膳囱吴镊除曝铸习满晨篓炸馈辨娶相谎稗召狡锁娃鞋诺甥钦陕以粒磋孰绩隔皇篆跪赦稍郊夯骂摧赖冰伤铬弥王揉流雪刮体争涂腐雾伙诉漱衣幸绽睛皱者蚜履勤遭哗妇攻滇货根八参汇婆掘座空记决恭旺惕滴霍丰夕宁膳稽臭灿角吹脏玩济僧阀徒届肋粪厨缕憎磁忻