基于部分反馈线性化的三杆体操机器人控制策略.pdfVIP

高技术通讯 2009年 第 l9卷 第 12期：1270～1275 doi：t0．3772／j．issn．1002—0470．2009．12．011 基于部分反馈线性化的三杆体操机器人控制策略① 赖旭芝② 蔡 畅 吴 敏 余锦华 (中南大学信息科学与工程学院 长沙410083) ( 东京工科大学仿生部 日本 东京 192—0982) 摘 要 针对复杂的非线性欠驱动三杆体操机器人系统，提出了一种基于部分反馈线性 化的控制策略。首先，将三杆体操机器人的运动空间分为两个区域：摇起区和平衡区，然 后，在摇起区利用部分反馈线性化设计摇起控制器，对第二杆与第三杆进行联动控制，确 保欠驱动三杆体操机器人迅速摆起，并且摆起后第二杆和第三杆 自然伸展；进入平衡区 后，采用基于线性二次型调节器(LQR)的平衡控制器，将系统稳定在竖直向上的位置，实 现系统控制 目标。仿真结果验证了该控制策略的有效性。 关键词 欠驱动三杆，体操机器人，联动控制，线性二次型调节器 目标，但该策略将控制过程划分为6个阶段，由于三 0 引 言 杆体操机器人系统的复杂非线性，并且需要考虑控 制器之间的平滑转换，使得各阶段的控制策略设计 三杆体操机器人具有3个关节…，包括手部关 变得十分复杂。本文针对三杆体操机器人控制存在 节(自由关节)、肩关节(驱动关节)和髋关节(驱动关 的问题，提出了一种基于部分反馈线性化的摇起控 节)。与 欠 驱动 两 杆机 器 人 Acmb0tl2-7]和 Pen． 制策略和基于线性二次型调节器 (1inearquadratic dub0f_8-10J相比，三杆体操机器人能更真实地反映体 regulator，LQR)的平衡控制策略。首先，采用拉格朗 操运动员的肢体运动l11』。由于三杆体操机器人具 日动力学方程，建立三杆体操机器人的动力学模型。 有更强的非线性和耦合性_1，因此，三杆体操机器 然后利用部分反馈线性化设计摇起控制器，实现第 人的控制比两杆机器人的控制更复杂。针对三杆体 二杆与第三杆的联动控制，确保体操机器人迅速的 操机器人的复杂非线性特性，同样可 以将它的运动 摇起并进入到平衡区，在平衡区利用 LQR设计平衡 空间划分为摇起区和平衡区l13J，并针对这两个区 控制器，实现系统控制 目标。 间，分别采用不同的控制策略。 对于三杆体操机器人的控制，文献 [11]提出了 1 三杆体操机器人动力学模型 一 种基于能量和姿态的摇起控制策略，通过坐标转 换将三杆体操机器人第二杆和第三杆的两个驱动关 1．1 三杆体操机器人的建模 节转换为一个主动关节，该控制策略能够控制系统 图1给出了三杆体操机器人的模型。连接在对 能量和姿态，但是很难避免摇起过程中存在的奇异 应关节上的参数和变量定义如下：三杆的长度为 问题，使得机器人不能顺利地摇起并进入到平衡区。 i、，J2、L3；质心轴心距为 zl、z2、z3；质量为 ml、m2、 针对无法确保三杆体操机器人顺利进入到平衡区的 m3；以质 t2,为转动轴时的转动惯量为 t，】、_，2、J3；三 问题，文献[14]提出了一种仿人智能控制策略，将体 杆分别与竖直向上方向的夹角为0、02、03；关节上 操机器人的摆起倒立运动过程规划成6个串行的目 的电机质量为 、T／C,／、眦 ；三个关节上的摩擦力 标阶段_l引，并针对这6个阶段分别采用 Bang．Bang 矩系数为 C1、。2、C3；关节上的力矩为 Ml