水下作业液压机械手夹持力模糊控制技术的研究.docx

水下作业液压机械手夹持力模糊控制技术的研究水下作业液压机械手夹持力模糊控制技术的研究zhangting导语：本文设计了一种握力传感器井对其性能进展研究，建立了控制机械手爪的电液位置伺服系统。水下作业系统过多采用液压驱动。本文设计了一种握力传感器井对其性能进展研究，建立了控制机械手爪的电液位置伺服系统，在此根底上，构成了基于电液位置伺服系统的机械手夹持力控制系统，采用带有可自动调整的智能权函数的摸期控制器来控制机械手夹持力，井进展了实验研究。实验证实，使用这种控制方法系统响应快、超调小、控制精度高、可以知足机械手爪抓取作业时对夹持力控制的要求。关键词：握力传感器；电液伺服系统；摸期控制：机械手机械手爪是机器人实现乖巧操纵的重要局部，它的乖巧抓握操纵是表达机器人智能化程度的一个重要标志。电液伺服系统易受系统压力、油温等变化的影响，系统参数易变，很难实现准确控制，对于采用电液伺服控制的水下作业机械手来讲，对其进展有效、宽范围、准确的夹持力的控制问题一直未得到很好的解决。因此，对于液压机械手夹持力控制技术进展深人地研究，对于进步机械手的作业程度，实现其作业的智能化，有着重要的理论意义和实际工程意义。1机械手爪的构造及工作原理机械手爪的构造为典型的连杆机构，如图1所示。滑块的直线运动驱动手爪平行两指的张开与合拢。机械手爪可简化为如图2所示的连杆机构，ABC为一整体，其中AB=34mn，BC=34mm，AC=60mn；D为滑块，沿Y方向做直线运动，通过连杆BD带动ABC实现手爪的张开与合拢，D的最大行程为15mn；C为手指基体上一点，由于手指是平行挪动的，即c点只能沿x方向运动，那么c点的位移即为手指张开、合拢时进给的尺寸。图2中D点的位置为初始位置，即手爪合拢时滑块的位置，令AC绕A转角为，逆时针为正，在图2中所示位置=0°，当滑块在初始位置，即Y=0时，转角=0°，此时手爪合拢；当滑块在极限位置，即Y=15mn时，=42.5°。此时手爪张开最大。手指位移x与转角的关系为：X=ACsin=60sin那么手指位移最大值为405mm，即手爪张开最大间隔为81mn。2电液位置伺服系统电液位置伺服系统由液压动力源、电液伺服阀、直线油缸、角位移传感器和控制器组成，如图3所示。电液位置伺服系统中，电液伺服阀采用型号为CSDY15的射流管伺服阀，液压源调定工作压力为10MPa，油缸采用非对称型直线液压缸，即单杆缸，其活塞直径D=30nun，活塞杆直径d=18m活塞直线行程为15ram，活塞杆推出时手爪张开，活塞回收时手爪闭合，角位移传感器采用精细电位计，控制器为用模拟电路实现的超前一滞后控制器。3握力传感器握力传感器为垂链式膜片构造，膜片的变形区贴有应变片以检测夹持力的大小，四个应变片构玉成电桥以进步传感器的线性度和灵敏度，互相补偿由于温度等因素引起的误差和漂移。握力传感器有两个作用：一是检测机械手抓握物体时作用在物体上的垂直作用力的大小；二是依靠其变形区的形变产生易于控制的对物体的作用力，即对抓取图4握力传感器的譬出信号对象物的夹持力是由握力传感器依靠其变形区的形变产生的。握力传感器安装在手指外表直接与抓取对象物接触，为进步与抓取对象物间的摩擦系数、增大手指的柔顺性、减小抓握物体时对物体的冲击力，在握力传感器与对象物接触的外表上贴有一层橡胶。对握力传感器进展力加载试验传感器的输出信号s与作用力F的关系如图4所示，通过试验可知，这种传感器线性度好、回程误差小、精度高，可以知足机械手抓取作业时对夹持力测量的需要，s与F的关系为S=0075F+008让手爪抓握剐性物体，从接触开场每次让手爪进给一样的位移，得手爪进给位移d与握力传感器输出信号S的关系曲线如图5所示。由于握力传感器输出信号s与作用力，之间为线性关系，因此由图5可以看出，手爪位移与力的关系是非线性的，可分为三个阶段：10dx4机械手夹持力的模糊控制技术模糊控制技术是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论根底，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环构造的数字控制技术。由模糊逻辑推理法，对于n条模糊控制规那么可以得到rt个输入输出关系矩阵R，Rsub2/sub，.，Rsubn/sub，进而由模糊规那么的合成算法可得系统总的模糊关系矩阵为对于任意系统误差E和误差变化DE，其对应的模糊控制器输出U为:对由式1得到的模糊控制量U进展准确化计算就可以直接控制系统对象了，然而在实际应用中由于模糊关系矩阵R是一个高阶矩阵假如对任意瞬间的系统误差E和误差变化DE都用式1合成计算出即时控制输出U，就会花费大量时间，使系统适时控制性能变差。因此常规模糊控制器在实际应用中常采用查表法，然而使用查表法一旦模糊控制表确定以后，这种模糊控制器的控制规那么就固定不变，对于不同的被控对象，简单的模糊控制器采用不变的控制规那么不能获得预期的控制效果。尤其对于那些时变的、非线性的、复杂的系统采用模糊控制时为了获得良好的控制效果，必需要求模糊控制用具有较完善的控制规那么，这些控制规那么是操纵者对受控经过认识的模糊信息的归纳和操纵经历的总结。由于被控经过的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素的影响，造成模糊控制规那么粗糙或者不够完善，都会不同程度地影响控制效果。为了弥补其缺乏，使控制规那么在控制经过中自动调整和完善，进而使系统的控制性能不断完善，这样就出现了控制规那么可调整的模糊控制器式2是一种带有一个调整因子的模糊控制规那么。当n较大时。说明对重视程度高，因此响应快、超调大、振荡幅度大、调节时间长；当1一n较大时，说明对DE重视程度高，因此响应慢、超调小。所以采用带有自调整因子的模糊控制器时，在适当确定误差及误差变化的论域的根底上，再通过调整调整因子可以获得较好的控制效果。采用带调整因子的模糊控制器不仅可以使控制表设计简单，而且可以防止在极大极小合成法设计中由于信息丧失太多等原因造成的控制表错误，同时调整因子具有明确的物理意义，可模拟人在实际控制时对误差、误差变化权衡的结果，针对不同控制对象采用不同的调整因子。有经历的操纵者总是根据当前的误差及误差变化适当地调整控制策略，比方，在误差比拟大时，主要矛盾是消除误差，因此误差要有较大的权因子。而当误差较小时，为了减小系统的超调和振荡，使系统具有较好的快速性和平稳性，应该加大对误差变化的权因子。然而，带多个调整因子的模糊控制器固然控制性能较好，但随着误差、误差变化及控制量论域量化等级的增加，调整因子数也相应增加，并且在多个凋整因子的选择经过中带有一定的主观性，缺乏有效的指导方法。为了适应被控对象的构造和参数变化，模拟人工控制中的学习经过，可以采用如式3所示的带智能权函数的模糊控制规那么l。这种控制规那么按误差、误差变化的大小自动调整其权重，且调整因子仅是输入变量的函数。这种自动调整由于是在整个论域中进展的所以更符合人在控制决策经过中的思维，已具有高智能的优化特点，非常易于适时地实现其控制思想。机械手夹持力的模糊控制系统的构造如图6所示，模糊控制器的输人为机械手此时的夹持力与给定值的误差DE误差变化输出为要消除误差而施加的夹持力的增量。在模糊控制器中，误差、误差变化、控制量所取的模糊子集的论域分别为E=一5，一4，一3，一2，一1，0用负很大，负大，负中，负小，负很小，零来描绘。DE=0，1，2，34，5用零，很小，小，中，大，很大来描绘。U=O，1，2，3，4，5用零，很小，小，中，大，很大；来描绘。对由式3求得的模糊控制量U进展准确化计算，即可求出应对电液位置伺服系统发出的指令的值进而对夹持力的大小进展控制。图7所示为采用模糊控制方法对刚体施加20N夹持力时的握力传感器输出信号S随采样点数n的变化曲线。本文对机械手爪的机构及其运动规律进展深化地理论研究，建立电液位置伺服系统，设计了一种握力传感器并对其性能进展实验研究和标定，在上述成果的根底上，构成了基于电液位置伺服系统的机械手夹持力控制系统；采用带有智能权函数的自适应模糊制规那么进展夹持力控制，实验证实，使用这种控制方法系统响应快、超调小、控制精度高、可以知足机械手爪抓取作业时对夹持力控制的要求。【1】李福义·液压技术与液压伺服系统M·哈尔滨工业大学出版社。1992【2】单成祥·传感器的理论与设计根底及其应用M·北京：国防出版社1999【3】李士勇·模糊控制、神经控制和智能控制论M-哈尔滨工业太学出版社19960