机械手在完成粗糙表面磨削操作的力及位置混合控制.pdf

第36卷第l期 机 械 工 程 学 报 2000年1月 CHINESEJOURNALOFMECHANICAL ENGINEERING血 2000 机械手在完成粗糙表面磨削操作的 力及位置混合控制 陈大跃 (上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室上海200030) 摘要分析了机械手在粗糙表面上进行磨削操作的动力学特性，计算了保证机械手完成上述操作所需的控制力 矩。通过引^运动学及动力学因子d。、，．和，。来识别这一变结构的动力学过程，即自由运动、碰撞和沿粗糙表面 的滑动。针对这些不同的运动状态，提出了不同的控制策略．在自由运动状态，采用常用的计算力矩控树法．而在 粗糙表面运动时，为了取得力及位置的混合控制，提出了一种动力学解耦的线性反馈控制法，它将原先的非线性机 械手系统分解成一组解耦的线性子系统，这样就可以独立地控制机械抓手的运动位置和接触力。给出的一千机械 手完成磨削过程的算例验证了本文算法的有效性。 叙词：机械手粗糙表面接触非线性解耦控制 中图分类号：TG580 的整个动力学行为，文中选用了一组运动学及动力 0前言 学特征因子，识别了机械手运动的各个阶段，并采取 了分段的积分策略。根据本文提出的控制方法，计 在许多应用机械手的场台，如磨削、装配、刮削 算分析了机械手在完成磨削整个操作时的轨迹变 等，都必须控制机械抓手沿约束曲面的移动。这时 化、碰撞影响和接触力。 存在于抓手和曲面之问的约束力对机械手的操作精 度和稳定性、对曲面表面的损伤均起着重要作用，针 1机械手沿粗糙表面的运动约束及 对光滑曲面，Yoshkawa-“提出了一种力及位置的混动力控制 合动力控制法，并通过讨论抓手约束的描述方法，给 出了相应的关节驱动力矩。wen【21和MiⅡ3一则研究 图1为机械手在完成磨削操作时的力学模型， 了机械抓手与接触的约束曲面之间动力稳定问题。 整个过程分为3个阶段，即自由运动、与曲面碰撞和 然而在许多场合，人们事先并不知道约束表面的精 沿曲面移动。在自由运动阶段，机械手是一个2自 确外形。Y惦hkawa【4j根据在线测量抓手的位置和接 由度系统，可用图中所示的两个相对夹角作为广义 触力，提出了估计约束表面外形的方法。hca【53研坐标来表示其运动状况。机械手的运动轨迹控制是 究了考虑约束曲面弹性变形的机械手动力耦台模 通过施加在其关节处的控制力矩来完成。利用 型。然而，以上这些工作¨。一均未涉及曲面的摩擦 啪ge方法，处于自由运动状况的机械手的动力 影响。 学控制方程为 在许多实际场合，环境的表面往往是粗糙的，这 ．，(口)口+曰(“，口)=M． (1) 时就必须考虑摩擦影响。cai和叫dellber异【60考虑了 式中 ．，(日)——惯性矩阵 滑动摩擦后，给出了一种线性状态反馈控制法，但他 丑(w，口)——包含了重力、离心力和哥氏加速 们忽略了摩擦力取决于需被控制的正压力的特 度的非线性项 征。 对于自由运动状况的机械手可以采用施加带有 本文根据滑动摩擦力与正压力以及由约束曲面 PD控制的计算力矩，即 表