工业机器人外文翻译--对移动机械臂在其环境中使用有效质量和阻尼控制所产生的脉冲接触力进行控制（译文）

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1、PDF外文：http:/  中文 5957字  出处： INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING Vol. 11, No. 5, pp. 697-704 对移动机械臂在其环境中使用有效质量和阻尼控制所产生的脉冲接触力进行控制   近年来，移动机械臂被广泛应用在人类生活环境中所存在的各种服务机器人。在这种人口众多的环境中，安全是最重要的因素。确实，安全人机交互是机器人研究中的一大挑战。本文提出了一种通过利用优化的机械惯性和以阻尼为基础的运动控制来减少移动机械臂及其工作平台下所产生

2、的脉冲接触力的新方法。为了从无效的空间运动中找到最佳的配置，在虑及最低有效质量和关节限制约束的情况下提出了合并后的潜在功能方法。这项研究的结果表明，惯性的优化与阻尼控制器明显降低了碰撞时的脉动力和碰撞后的接触力。  1.介绍  移动机械臂由一个移动基座和一个自动的 机械手组成。相对于固定式机械手，移动式机械手最大的优势是它有灵活的工作区。安置在移动基座上的机械手的机械配置也生成了一个使操作更敏捷的额外有利系统。尽管这些特征使很多的应用程序能在其上运行，但基于其本身的构造，移动机械臂在控制方面仍然面临着挑战。首先，移动机械臂的额外自由度使其操纵控制更加复杂化。其次，移动机械臂

3、的所有运动情况远比固定式的复杂得多。第三， 许多应用涉及机器人与环境的动态交互。至此，在人类居住的环境中移动机械臂给科学家们带来了最前沿的安全问题。  一直以来，科学家们对于移动控制有着大量的研究。例如，山本提出用运动学活动力学的可操作性来解决移动机械臂在运动规划和分析过程中产生的冗余部分。哈提卜介绍了在控制机械手多余位置并提供关节限制约束的潜在领域。他也推荐利用移动机械臂在操作空间上的固有动力学特点的文章。另外，他分析了在其宏观结构中减少了的冗余机械中的惯性影响。在其他的关于移动机械臂的研究中，零点弯矩作为一个移动机械臂系统执行高负载转移任务的量度被提了出来。还有一些关于移动机械臂

4、在来自工作环境中未知的外部力量作用下的稳定运动控制的上面所提到的许多研究研 究都采纳了移动机械臂中的传统固定机制的理念。  有几个在移动机械臂控制方面的问题需要考虑：首先，移动机械臂的移动基座部分要比上部的机械手更重，这将导致移动基座部分活动时的反应要比机械更    慢。整体移动机械臂与宏观机械手所做运动在某种意义上有点相似，宏观部分远比微观部分要重。其次，移动的基座在地面做平移或旋转运动时，可执行的范围也得到了进一步的扩大。而终端的位置和方向是固定的，这就使得各种多余的空间运动可能仅仅是移动基座的运动得来的。第三，移动控制的精确度可能与人们的操作以及它的运行环境

5、的接触任务有关。为了使移动机 械臂服务于人类现居住的环境，它在保证人类安全方面应该是要绝对符合条件的。  通过减少人们与移动机械臂的及接触力理可以提高人类的安全。林（参考文献 10）提出：通过运动和阻抗控制来减少多余的机械臂影响力。 Padois（参考文献 11）为自由和约束之间的平稳过渡接触采用了一种速度 /力量混合控制法，这对于许多移动机械臂完成其任务来说是及其重要的。在他们的另外一项研究中，建议采用一种典型的框架结构来对有轮子的移动机械臂进行反应控制。这种框架结构非常适合在操纵空间中对任务中的自由和约束进行动态排序。  然而，一旦发生碰撞，机 械臂与人之间所受脉冲接触

6、力的大小取决于移动机械臂的有效惯性。另一个更有效减少碰撞力并对安全来说至关重要的方法是直接控制有效惯性。这项研究的目的是减少移动机械臂的末端与周围环境（包括人类）碰撞时所产生的脉冲接触力。为了减少直接碰撞时的碰撞力，更小的惯性性能是有利的。机械臂的有效惯性能被专门用于阻抗控制与力反馈，通过合理选择获得的反馈力，能削减有效惯性和碰撞时产生的碰撞力。然而在实际应用中，因为一些促动器带宽限制传感器的相互作用方式、扭矩性能等这样的稳定性问题的存在，所以通过反馈力控制调制有效惯性是难以实现的。 在这项研究中，我们利用移动基座产生的无效的空间运动来获得宽范围的惯性特性。通过使用在过去工作中运用的优化技术能

7、减少操作空间中所产生的实际惯性。被优化了的实际惯性依次减少了工作过程中由于意外碰撞所产生的脉冲接触力。碰撞后，移动机械臂的阻抗在调节控制力时起到了重要的作用。为了保证碰撞后具有预定数值的接触力，一个基于速度测量为基础的阻尼（适应性调节）控制器发挥了作用。提出的控制系统的有效性则通过模拟和实验来进行测试。  2.移动操纵器的惯性最优化  大多数移动操纵器的机械结构由移动基站和适当的有效载荷、灵巧机敏的操纵器组成。这个结构允许移动操纵器用它多余的自由度去运行大量的任务。在很多运行中，移动操纵器的移动基站在平坦地面上移动。配置了全方位车轮的  移动基站可以做以下模型：在

8、平面上，沿着两个直角棱镜接缝处和绕着一个向外卷的直角接缝在二维平面上转动。  在这项研究中，我们用了日本科技先进协会的 M3 移动遥控装置。在 M3 移动遥控装置中， 7 个自由度的三菱 PA10 机械手被安置在里面。在配置了 3 个全方    位车轮的移动基站（如图 1）中，移动基站的每一个车轮都分别配置有两个 发动机来操纵和指导。所有的控制装置包括 CPU、分界板、伺服传动器和电池都被植入移动基站。表 2 表明了 M3 移动遥控装置的运动型模型。正如表中所示， M3 移动遥控装置的总自由度是 10，操纵器有 7 个向外卷的接缝，移动基站有 2 个棱镜接缝和 1

9、 个向外卷的接缝， Denarit-Hartenbery 的参数和 M3 移动机械臂的惯量特性一列在表格 1 中。  2.1 移动操纵器的有效质量  对于一个移动操纵器来说，接缝处的惯量特性用动能矩阵 A（ q）描述，一个关于接缝变量 q 的矩阵函数，当动态响应或在终止受动器的冲击压力引起注意时，惯量特性能够在 终止受动器被估算，在笛卡尔空间的动能矩阵 A（ q）被描述的特性。动能矩阵 A（ q）是从运用雅克比行列式矩阵  J（ q）的动能矩阵中计算得出的：  A q =  J q A1 q JT q  1 终止受动器在任意 u 方向

10、上的感知惯量被如下有效质量  Mu（ q）所描述：  Mu q = 1uTA1 q u 有效质量描绘了在终止受动器处的操纵器的方向惯量特性，和 M3 移动遥控装置一样，有效质量能够用一个多余的操纵器通过改变操纵器的最优化来操纵有效质量，甚至终止受动器的位置和方向被固定在笛卡尔空间，这个特征允许我们控制终止受动器和终止受动器给定的位置和方向的环境之间的冲击压力，如果有效质量减少，冲撞下的冲击压力也能减少，因为这个压力主要依靠惯量和速度的不同。  2.2 有效质量通过无效空间运动的改变  对于给定的终止受动器的状态，一个多余的操纵器的最优化能够通过产生无效空

11、间运动来被改变。以下等式描述了一个多余操纵器的反转 运动学：  q = J q V +  I J q J q   这个等式中， J#(q)是雅克比行列式矩阵 J（ q）的伪逆算子，  是任意接缝处的运动矩阵  I J q J q  定义了与 J#（ q）关联的无效空间，向量  I J q J q  反应了终止受动器的状态的零变化，通过把终止受动器的速度置零，终止受动器的状态被固定在笛卡尔空间。  对于多余移动操纵器来说，在一个给定的状态下，可以通过改变产生移动基站的无效空间运动来改变有效质量 Mu（ q），假设 M3 移动遥控装置，通过改变在表 1表 2坐标系统上的 X方向 =  k, o, o,0 T或 Y方向 =  0, k, , o, ,0 T来移动移动基站可以产生无效空间运动，表 3 表明了当移动基站的位置在 XY 平面改变时，有效质量在 X(Mx q )方向、 Y(My q )方向和 Z(Mz q )方向也改变。当笛(1) (2) (3)