王志軍，王 凱，劉宣佑

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 唐山 063000)

0 引言

在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中，智能傳感器的存在和發(fā)展賦予了物體視覺、聽覺和嗅覺等感官，具有類似人類的大腦和五官的一些功能，在眾多方面起著越來越重要的作用?，F(xiàn)如今傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信息、測量、檢測等多個(gè)領(lǐng)域。傳感器有多種形式，其中力傳感器能夠使機(jī)器人對力具有感知能力，故而力傳感器是機(jī)器人重要的一類傳感器[1]。

六維力傳感器是一類非常重要的能夠檢測空間六維力和六維力矩所有信息的傳感器。美國Draper實(shí)驗(yàn)室在1975年研究發(fā)明了一種六維力傳感器，其應(yīng)用了三層結(jié)構(gòu)的Waston豎梁式，但是存在比較嚴(yán)重的維間耦合[2]；A.Gaillt和C.Reboulet在1983年第一次提出了基于Stewart的多維力傳感器，此類傳感器也存在一定的耦合[3]。

由于六維力傳感器測量精度較高并且測力信息較為豐富，因此，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，六維力傳感器得到了極其廣泛的應(yīng)用。如：雙手協(xié)調(diào)、精密裝配、輪廓跟蹤；火箭發(fā)動機(jī)的推力測驗(yàn)[4-5]；航空領(lǐng)域中空間站的對接仿真模擬[6]等。隨著六維力傳感器在多領(lǐng)域方面的應(yīng)用，為了提高其檢測精度和工作效率，需要運(yùn)用合適的方法對其進(jìn)行解耦。

1 耦合、解耦的概念

1.1 耦合

耦合是指兩種運(yùn)動形式間或兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系間通過相互作用而相互影響以致聯(lián)合起來的現(xiàn)象。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，不斷涌現(xiàn)出一些較為復(fù)雜的裝置或者設(shè)備，這些裝置或者設(shè)備其本身所要求的被控制參數(shù)往往是比較多的，故而，必須要設(shè)置多個(gè)控制回路對該類設(shè)備進(jìn)行控制。因?yàn)榭刂苹芈返脑黾?，往往會在它們之間造成相互影響的耦合作用，即系統(tǒng)中每一個(gè)回路的輸入信號對所有回路的輸出都會有影響，而每一個(gè)回路的輸出又會受到所有輸入的作用，因此，要想一個(gè)輸入只去控制一個(gè)輸出幾乎不可能，這就構(gòu)成了“耦合”系統(tǒng)。維間耦合是影響多維力/力矩傳感器測量精度的一個(gè)主要因素。

1.2 解耦

解耦就是要在最大程度上減小或消除耦合干擾。六維力/力矩傳感器的解耦是通過數(shù)學(xué)的方法用盡可能小的誤差唯一地確定出來傳感器的輸入與輸出的關(guān)系。

2 常用六維力傳感器解耦方法

一般消除耦合或者抑制耦合可以從兩個(gè)方向來做：第一種是在生產(chǎn)傳感器之前進(jìn)行的工作，即從傳感器的設(shè)計(jì)上來消除或者抑制耦合，該方法涉及到了傳感器的制造工藝問題，這個(gè)往往比較困難，并且可能會增加成本；第二種則是利用系統(tǒng)性的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)字信號處理的方法來減少或者消除傳感器的維間耦合，該方法對制作工藝要求比較低，比較容易達(dá)到，而且還能取得很好的效果。

2.1 六維力傳感器靜態(tài)解耦方法

2.1.1 基于最小二乘法的線性解耦原理

假定六維力/力矩傳感器的輸入與輸出是線性關(guān)系，通過運(yùn)用最小二乘法來確定其相關(guān)的參數(shù)[7-8]。最小二乘支持向量回歸解耦合方法對誤差的忍耐度較好并且保持了其廣泛化的能力，但是此方法對樣本容量有一定的局限性，在樣本數(shù)量多的情況下它的解耦速度將會受到很大的影響[9]。對六維力/力矩傳感器運(yùn)用最小二乘法靜態(tài)解耦，可以很直接地在MATLAB中應(yīng)用最簡單的命令來求解且易于理解，思路簡單清晰，算法也容易獲取，當(dāng)其需要求解的模型是線性比較好的模型時(shí)，應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行擬合逼近保證了方法和模型的一致性，故而可以使擬合的精度達(dá)到很高[10]。但是此方法也有一定的缺陷，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本采集的數(shù)量增多時(shí)，求解結(jié)果的誤差中隨機(jī)誤差所占的比例也在隨著增大，而最小二乘法對于隨機(jī)誤差的忍耐度較小，因此采集樣本的數(shù)量增多會對標(biāo)定矩陣的求解結(jié)果造成較大的影響。

2.1.2 基于查詢表的六維力傳感器解耦方法

將六維力/力矩傳感器看作是一個(gè)黑箱，通過統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立黑箱的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性解耦合，此類統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法有支持向量機(jī)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

2.1.3 基于模糊推理的六維力傳感器解耦算法

模糊推理需要經(jīng)過3個(gè)步驟：①模糊推理的輸入；②建立模糊推理規(guī)則；③輸出信息的解模糊。其推理過程如圖1所示。

圖1 模糊推理框圖

2.2 六維力傳感器動態(tài)解耦方法

六維力傳感器被應(yīng)用在很多場合，要求其能夠迅速、精確地反映被測數(shù)據(jù)的變化等，因此為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需要進(jìn)行動態(tài)解耦。

2.2.1 不變性動態(tài)解耦方法

1999年合肥工業(yè)大學(xué)徐科軍等以不變性原理為基礎(chǔ)提出了一種傳感器的動態(tài)解耦方法，通過添加解耦網(wǎng)絡(luò)來降低解耦模型的階數(shù)，應(yīng)用低階的解耦模型消除各個(gè)維間的耦合干擾，但是其實(shí)現(xiàn)難度較大[11]。

2.2.2 迭代動態(tài)解耦方法

迭代解耦的原理是通過對不變性解耦之后的輸出結(jié)果的迭代來達(dá)到理想化的效果。若利用此結(jié)果的輸出信號來估計(jì)另一個(gè)通道上的耦合信號，將會得到一個(gè)更加精確的輸出結(jié)果，多次重復(fù)這些過程輸出結(jié)果會更加精確。

2.2.3 對角優(yōu)勢化補(bǔ)償解耦

2001年東南大學(xué)宋國民等提出了一種動態(tài)解耦方法——對角優(yōu)勢化補(bǔ)償，通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償器來達(dá)到近似解耦，并在計(jì)算和理論上驗(yàn)證了對角優(yōu)勢補(bǔ)償之后耦合輸出明顯減小，但是其沒有在理論上完全地展示六維力傳感器的動態(tài)耦合關(guān)系，只能實(shí)現(xiàn)近似解耦，并不完全[12]。

3 總結(jié)

硬件解耦的方法不僅涉及到很多難以解決的技術(shù)工藝問題，而且還會增加制造傳感器的成本，與此相比，軟件解耦價(jià)格低廉、精確度高且可行性強(qiáng)。軟件解耦即運(yùn)用解耦算法通過對應(yīng)的公式計(jì)算以最大程度地減小耦合帶來的負(fù)面影響，從而提高傳感器的精確度，傳統(tǒng)的以求解矩陣廣義逆為基礎(chǔ)的靜態(tài)解耦算法涉及到很多矩陣運(yùn)算，其運(yùn)算量極大，算法復(fù)雜，很容易產(chǎn)生病態(tài)矩陣，進(jìn)而影響解耦的精確度。

目前動態(tài)解耦以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的有矩陣分析法，其解耦網(wǎng)絡(luò)簡單，思路清晰，但是動態(tài)解耦對多維力傳感器模型的準(zhǔn)確性要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)橄到y(tǒng)中干擾和測量誤差的存在，并且其辨識方法具有局限性，使其辨識到的系統(tǒng)模型往往不太準(zhǔn)確，因此對系統(tǒng)的精確度影響極大。

靜態(tài)解耦和動態(tài)解耦各有優(yōu)缺點(diǎn)，故而還需要對其進(jìn)行更深入的研究，比如將新型的動態(tài)解耦和靜態(tài)解耦方法相結(jié)合，此技術(shù)將會成為未來的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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