李順利,孟德遠,楊 林,李艾民,唐超權(quán)
(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.重慶大學(xué) 機械工程學(xué)院,重慶 400044)
外骨骼助力機器人[1-9]作為一種高度集成化的人機交互裝備,系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足柔順性好、可靠性強、清潔和精度高等要求。為解決上述關(guān)鍵問題,氣動肌肉驅(qū)動的外骨骼助力機器人[5-9]成為研究熱點。氣動肌肉是一種仿人體肌肉提供收縮力的執(zhí)行元件,且與液壓驅(qū)動與電機驅(qū)動相比,氣動肌肉所具有的功率-質(zhì)量比大、柔順性好、清潔等優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于外骨骼機器人的關(guān)節(jié)設(shè)計。其中以拮抗對拉關(guān)節(jié)[5-8]與氣動肌肉-復(fù)位彈簧關(guān)節(jié)[9]為基礎(chǔ)的外骨骼機器人應(yīng)用最廣。采用上述兩種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),每增加一個自由度,整機會增加一根氣動肌肉或復(fù)位彈簧,不但增加了經(jīng)濟成本,也減少了機器人內(nèi)部可用空間。因此,本文從縮小整機體積、降低經(jīng)濟成本出發(fā),設(shè)計一種簡單經(jīng)濟的上肢外骨骼助力機器人。其每個關(guān)節(jié)僅使用一根氣動肌肉,通過鋼絲繩帶動滑輪,實現(xiàn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),氣動肌肉安裝位置相對靈活,從而釋放了整機內(nèi)部空間。
由于氣動肌肉具有復(fù)雜的輸出力特性且難以精確建模,再加上氣動系統(tǒng)固有的模型不確定性及強非線性,造成傳統(tǒng)比例-積分-微分(PID)控制器軌跡跟蹤控制效果較差,難以滿足外骨骼助力機器人控制要求。
為解決氣動肌肉伺服系統(tǒng)高精度軌跡跟蹤控制問題,國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計了許多相關(guān)非線性控制器,如非線性PID控制[10]、滑??刂芠8,11-15]、H∞魯棒控制[16]、動態(tài)滑模面控制、模糊控制、自適應(yīng)控制[17-18]、自抗擾控制和自適應(yīng)魯棒控制[19]等。其中王斌銳[14]等設(shè)計了一種拮抗式氣動肌肉關(guān)節(jié)驅(qū)動的四足機器人,并成功地將滑??刂茟?yīng)用于其髖、膝關(guān)節(jié)軌跡的跟蹤控制;Aschemann H[15]等為一種氣動肌肉驅(qū)動的直線運動裝置設(shè)計了滑??刂坡?,實現(xiàn)了其在高速狀態(tài)下的軌跡跟蹤控制;楊鋼[8]等提出了基于CMAC(cerebellar model articulation controller)的氣動肌肉兩層滑模變結(jié)構(gòu)控制方法,CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計系統(tǒng)的不確定性通過前饋進行補償,余下的不確定性估計誤差由滑??刂坡梢种?;朱笑叢[19]等采用自適應(yīng)魯棒控制策略實現(xiàn)了三自由度并聯(lián)平臺位姿跟蹤控制,其采用梯度自適應(yīng)率對參數(shù)進行在線估計并進行前饋補償,從而抑制了系統(tǒng)的參數(shù)不確定性?,F(xiàn)階段,雖然針對氣動肌肉關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤控制研究很多,但實際應(yīng)用中存在換向誤差較大、抗干擾能力差及輸出顫振等現(xiàn)象,氣動肌肉關(guān)節(jié)的高精度軌跡跟蹤控制依然是一個難點。
本文在傳統(tǒng)魯棒控制器基礎(chǔ)上,采用遞歸最小二乘法設(shè)計參數(shù)自適應(yīng)率,采用梯度法設(shè)計快速動態(tài)補償項,構(gòu)建一種自適應(yīng)魯棒控制器。搭建實驗樣機,對比所設(shè)計自適應(yīng)魯棒控制器與魯棒控制器的性能差別,分別驗證參數(shù)不確定性補償和進一步的參數(shù)估計誤差及未建模誤差補償?shù)淖饔茫贿M行干擾測試實驗,驗證所設(shè)計的自適應(yīng)魯棒控制器的抗干擾能力。
圖1展示了設(shè)計的上肢外骨骼助力機器人的整體結(jié)構(gòu),其主要由5個組成部分:小臂、肘關(guān)節(jié)、大臂、肩關(guān)節(jié)和背部氣動肌肉支架。由于輕量化是外骨骼機器人設(shè)計的重要指標,除肩、軸關(guān)節(jié)部分零件采用45鋼以外,其余機械主體均采用7075-T6輕質(zhì)鋁合金。
圖1 上肢外骨骼助力機器人整體結(jié)構(gòu)
圖2(a)給出了肩、肘關(guān)節(jié)采用的單根氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),與拮抗對拉關(guān)節(jié)(圖2(b))、氣動肌肉-拉力彈簧關(guān)節(jié)(圖2(c))、氣動肌肉-扭力彈簧關(guān)節(jié)(圖2(d))不同,其不需要復(fù)位元件,通過單根肌肉的充放氣控制氣動肌肉的收縮,進而實現(xiàn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。此關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計使得氣動肌肉安裝位置靈活,避免了傳感器的裝配干涉,降低了經(jīng)濟成本,釋放了機器人內(nèi)部空間,但同時造成關(guān)節(jié)的角度跟蹤控制完全依賴于單根氣動肌肉的控制,需要考慮或克服更加完整的氣動肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)的非線性動態(tài)。
圖2 幾種典型的氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)
圖3展示了肘關(guān)節(jié)部位設(shè)計圖,助力過程中,關(guān)節(jié)處承受主要載荷,宜采用簡單、經(jīng)濟的軸承座支撐,角度傳感器通過鍵與滑輪進行連接。為防止肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度超過人體肘關(guān)節(jié)運動范圍而造成的穿戴者損傷,必須在關(guān)節(jié)處安裝限位螺釘。
圖3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
上述單根氣動肌肉的關(guān)節(jié)角度跟蹤控制本質(zhì)上為氣動肌肉長度的控制,因此,為進一步體現(xiàn)所設(shè)計的控制器對單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的適用性,本文搭建了如圖4所示的單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)。單根氣動肌肉由一個三位五通的比例方向閥控制,系統(tǒng)的動力學(xué)方程為
圖4 單關(guān)節(jié)氣動肌肉伺服系統(tǒng)
(1)
圖5展示了不同壓力下氣動肌肉輸出力曲線,實驗測得曲線與Festo公司DMSP型氣動肌肉產(chǎn)品手冊給出的曲線基本一致。實驗也證明了在收縮量一定情況下,氣動肌肉輸出力FM與氣動肌肉內(nèi)部絕對壓力p呈線性關(guān)系,其關(guān)系曲線如圖6所示。因此,氣動肌肉輸出力模型可表示為
圖6 輸出力與壓力的線性關(guān)系(一定收縮量)
圖5 不同壓力下氣動肌肉輸出力
(2)
式中am(m=0,1,2,3)和bn(n=0,1,2,3,4)為多項式系數(shù)。
氣動肌肉內(nèi)部壓力的動態(tài)可認為是一個理想氣體多變過程[20],其動態(tài)方程如下:
(3)
(4)
式中:α0、L0、D0分別為氣動肌肉初始編織角、初始長度、初始直徑。
(5)
雖然參數(shù)向量θa和θb無法完全準確獲得,但其可在參數(shù)離線辨識實驗中獲得各分量的上界和下界,并且在實際應(yīng)用中,系統(tǒng)的建模誤差及外界干擾的范圍也是可以預(yù)測的。因此,可對系統(tǒng)的不確定性做出如下假設(shè)[22]:
A1:θa∈Ωθa?{θa:θamin≤θ≤θamax}
A2:θb∈Ωθb?{θb:θbmin≤θ≤θbmax}
式中:θamax和θamin分別為參數(shù)向量θa的上界、下界向量,θbmax和θbmin分別為參數(shù)θb的上界和下界,fmax和dmax為已知正值,Ωθa、Ωθb、Ωf和Ωd分別為已知凸集。
Yao Bin等[22]針對一類半嚴格反饋(semi-strict feedback form)非線性系統(tǒng)提出了自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計方法,其性能已在直線電機、液壓缸及氣缸的非線性控制中得到了驗證。注意到系統(tǒng)動態(tài)式(5)相對階為3階,因此基于反步法結(jié)合自適應(yīng)魯棒方法設(shè)計適用于單根肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)控制器。圖7展示了算法結(jié)構(gòu)圖,整個算法為兩層級聯(lián)結(jié)構(gòu),每層各包含一個確定性魯棒控制律(包含調(diào)模型補償項、穩(wěn)定名義系統(tǒng)項及魯棒反饋項)、參數(shù)自適應(yīng)和快速動態(tài)補償項,且參數(shù)自適應(yīng)律與魯棒控制律的設(shè)計完全獨立進行。
圖7 單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制算法
(6)
(7)
(8)
(9)
Yao Bin[23]等為實現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)律與魯棒控制律設(shè)計的完全獨立,引入標準投影映射Proj(?)和飽和函數(shù)sat(?),并利用遞歸最小二乘估計算法設(shè)計參數(shù)更新率。類似地,參數(shù)更新率選擇為
(10)
自適應(yīng)率矩陣Γi為
(11)
自適應(yīng)函數(shù)τi為
(12)
對于任意θi(i=a,b),設(shè)計的參數(shù)自適應(yīng)率有下列性質(zhì):
盡管參數(shù)的自適應(yīng)可有效補償系統(tǒng)參數(shù)不確定性,但剩余的參數(shù)不確定性估計誤差、建模誤差及外界干擾高頻分量仍影響控制器穩(wěn)定性和性能,因而進一步利用梯度法設(shè)計快速動態(tài)補償項補償其部分信息,最后利用魯棒反饋來抑制其不可補償部分的影響。
步驟一:定義一個類似滑模面的變量為
(13)
式中s1=x1-x1d表示跟蹤誤差,k1為正的反饋增益。明顯地,傳遞函數(shù)Gs1s2(s)=1/(s+k1)是穩(wěn)定的,使得當(dāng)s2收斂到0時,s1將以指數(shù)收斂率k1收斂到0。微分式(13)并將式(5)第二個等式帶入可得
(14)
定義一個Lyapunov函數(shù)為
(15)
式中ω2為權(quán)重因子。微分式(15)可得
(16)
式中pL=x3為步驟一的虛擬控制輸入。然后設(shè)計如下期望虛擬控制輸入pLd,即步驟一的控制律:
(17)
定義s3=pL-pLd表示實際和期望虛擬控制輸入之間的誤差,式(16)可寫成
(18)
明顯地,式(18)中括號中集中了所有參數(shù)的不確定性估計誤差、建模誤差及外界干擾高頻分量,進一步將其分為低頻分量df和高頻分量Δ1(t),即
(19)
更進一步,利用快速動態(tài)補償項pLda2補償?shù)皖l分量df,pLda2選擇為
(20)
(21)
結(jié)合式(19)和式(20),式(18)有
(22)
利用魯棒反饋項pLds2抑制式(22)中括號內(nèi)系統(tǒng)剩余不確定性的影響,保證控制器的穩(wěn)定性。pLds2選擇為
(23)
式中η2>0為邊界層厚度,h2(t)為系統(tǒng)剩余不確定性的邊界函數(shù),且選擇為
θamin‖+dfM+fmax
(24)
注1結(jié)合A1,A3,P1~P3及式(21)的有界投影映射性質(zhì),當(dāng)跟蹤軌跡足夠光滑時,總能找到一個滿足上述2個條件的邊界函數(shù)h2(t)。
魯棒反饋項pLds2滿足下列2個條件:
(25)
將式(25)帶入式(22)可得
(26)
由此可得,當(dāng)不存在實際和期望虛擬控制輸入之間的誤差,即s3=0時,s2始終以被一個確定函數(shù)界定,具體描述為
(27)
式中β=2k2/m。在上述條件下,當(dāng)跟蹤軌跡足夠光滑時,相關(guān)的系統(tǒng)信號都是有界的,輸出跟蹤有確定的暫態(tài)響應(yīng),且跟蹤誤差s2最終指數(shù)收斂于確定的球域。因此,下一步控制器設(shè)計目標是使s3收斂于0或足夠小的值。
步驟二:微分s3并將式(5)第三個等式帶入可得
(28)
(29)
(30)
‖θamax-θamin‖+fmax}
(31)
定義另一個Lyapunov函數(shù)為
(32)
式中ω3>0為遺忘因子。結(jié)合式(22)和式(28),微分V3可得
(33)
與步驟一類似,設(shè)計如下期望虛擬控制輸入qLd,即步驟二控制律:
(34)
將式(34)帶入式(33)可得
(35)
與步驟一類似,將式(35)括號內(nèi)的壓力動態(tài)參數(shù)不確定性估計誤差、建模誤差及外界干擾高頻分量進一步分為低頻分量dc和高頻分量Δ2(t),即
(36)
qLda2選擇為
(37)
(38)
將式(36)和式(37)帶入式(35)可得
(39)
魯棒反饋項qLds2選擇為
(40)
式中η3>0為邊界層厚度,h3(t)為壓力動態(tài)系統(tǒng)剩余不確定性得邊界函數(shù)。結(jié)合式(31),A2,A4及式(38)的有界投影映射性質(zhì),h3(t)選擇為
(41)
類似地,魯棒反饋項qLds2滿足下列2個條件:
(42)
將式(42)帶入式(39)可得
(43)
式中λ=min(2k2/m,2k3),η=ω2η2+ω3η3。求解式(43)可得
(44)
(45)
綜上分析,所提出控制器設(shè)計算法確保輸出跟蹤有確定的暫態(tài)響應(yīng),且保證s1最終有界;s2和s3指數(shù)收斂于一個確定大小的球域,且該球域大小通過η2,η3,k2,k3調(diào)節(jié)。
最后通過比例方向閥的質(zhì)量流量方程由獲得的虛擬控制輸入qLd計算出控制電壓u。
設(shè)計的控制算法在圖8展示的單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)實驗臺上進行測試。氣動肌肉(Festo DMSP-20-480N-RM-CM)由比例方向閥(Festo MPYE-5-1/8-HF-010-B)控制。比例方向閥進出口壓力由2個壓力傳感器(FESTO SDET-22T-D10-G14- I-M12)測量。氣動肌肉的收縮量由位移傳感器(MIRAN MPS-S-100MM-P)測量。系統(tǒng)各種信號的產(chǎn)生和讀取利用dSPACE DS1103完成。
圖8 單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)實驗臺
采用下列數(shù)字指標衡量控制器性能優(yōu)劣:
1)em=max{|s1|}0≤t≤40,前40 s最大絕對跟蹤誤差,用來衡量控制器的暫態(tài)性能。
3)emd=max{|s1|}T1≤t≤T2,干擾測試時的最大絕對跟蹤誤差,T1、T2為干擾測試實驗開始結(jié)束時間。
為了驗證所設(shè)計的DIARC控制器的優(yōu)越性,同時給出如下幾種類型控制器作為對比。
(C2)間接自適應(yīng)魯棒控制(IARC):與DIARC相比,控制器算法不包含快速動態(tài)補償項,即設(shè)定γ1=γ2=0。
(C3)確定性魯棒控制(DRC):與DIARC相比,控制器算法不包含參數(shù)自適應(yīng)及快速動態(tài)補償項。設(shè)定控制器參數(shù)為k1=250,k2=300,h2(t)=50,η2=0.4,k3=300,h3(t)=50,η3=2。
(C4)PD控制器:設(shè)定比例增益kp=15,微分增益為kd=0.1。
圖9給出了跟蹤期望軌跡xd=15sin(0.2πt) +50時控制器C1(DIARC)和C3(DRC)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),同時表1給出了C1~C4的性能指標??梢钥闯?,采用C1控制器,氣動肌肉整體運動平穩(wěn),顫振幾乎可以忽略,能滿足一些精度要求較高場合的控制要求,而采用C3控制器,雖然系統(tǒng)也能達到一定控制精度,但穩(wěn)態(tài)時相鄰兩時鐘周期控制電壓的平均切換量uvel遠遠大于C1,運行過程中出現(xiàn)明顯顫振。
圖9 跟蹤正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(C1和C3)
表1 跟蹤正弦時的控制器性能指標
Tab.1 Tracking performance indexes for a simusoidal signal
指標em/mmerms/mmemd/mmuvel/VC10.940.212.20.000 5C22.10.402.60.001 3C31.50.782.60.003 6C44.12.85.70.003 0
為進一步具體分析系統(tǒng)不確定性補償?shù)淖饔?,圖10~11給出了90 s內(nèi)C1~C4的跟蹤誤差曲線及對應(yīng)輸入電壓曲線。結(jié)果表明所設(shè)計的控制器C1性能最好,具有良好的暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,前40 s最大絕對跟蹤誤差em不超過0.94 mm,后20 s跟蹤誤差均方差erms不超過0.21 mm,相比傳統(tǒng)PD控制器分別提高了77.1%和92.5%,同時也明顯看出傳統(tǒng)PD控制器(C4)精度很差,系統(tǒng)會出現(xiàn)“跟不上”的現(xiàn)象。圖10也表明C1和C2的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能優(yōu)于C3,C1和C2的erms相比C3分別提高了73.8%和48.7%,由此驗證了系統(tǒng)參數(shù)不確定性補償對提高控制器穩(wěn)態(tài)精度有著顯著作用。
同時,從圖11中也可以看出,為了追求相對更好的穩(wěn)態(tài)精度,C3控制器增益調(diào)節(jié)相對較大,將造成控制電壓頻繁切換,氣動肌肉在運動過程的出現(xiàn)顫振。與之相比,C1和C2的顫振明顯較小,尤其是C1,顫振現(xiàn)象幾乎不存在,此時參數(shù)不確定性補償使得系統(tǒng)剩余不確定性減少,從而僅需要相比C3較小的控制器參數(shù)即可獲得不錯的穩(wěn)態(tài)精度,同時又減少了顫振。
圖11 跟蹤正弦信號時的控制電壓(C1~C4)
為驗證所提出控制器C1的抗干擾能力,在系統(tǒng)運行56 s處給位移傳感器施加一個2 mm的階躍干擾,并于66 s處撤除干擾。圖10結(jié)果表明C1控制器只在擾動信號加入和消失瞬間會產(chǎn)生尖峰,系統(tǒng)沒有產(chǎn)生振蕩或不穩(wěn)定,可見所加的干擾并沒有明顯影響整體軌跡跟蹤性能,證明了所設(shè)計的自適應(yīng)魯棒控制器繼承了傳統(tǒng)確定性魯棒控制器的抗干擾能力。
圖10 對正弦信號的跟蹤誤差(C1~C4)
圖12給出了C1控制器系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)結(jié)果,結(jié)果表明系統(tǒng)參數(shù)最終收斂到某個確定值附近或者緩慢變化,這證明了基于遞歸最小二乘法設(shè)計的參數(shù)在線更新算法的有效性。
圖12 跟蹤正弦信號時的C1控制器系統(tǒng)參數(shù)估計
為進一步驗證所設(shè)計自適應(yīng)魯棒控制器C1的有效性,測試其跟蹤弦波疊加的周期信號xd=12sin(0.25πt)+12sin(0.2πt)+12sin(0.15πt)+43.5的跟蹤效果,其穩(wěn)態(tài)跟蹤響應(yīng)及去全程跟蹤誤差如圖13~14所示。宏觀而言,系統(tǒng)跟蹤過程中整體上運行平穩(wěn),顫振很小,能實現(xiàn)不同行程的軌跡跟蹤控制,特別是在行程不大的工況下,穩(wěn)態(tài)性能良好。但明顯地,系統(tǒng)在行程過大的工況下,特別是在氣動肌肉收縮過程(a點附近)及換向(b點附近)時,會出現(xiàn)較大的跟蹤誤差。究其原因,在大行程工況下,氣動肌肉在收縮和拉伸時的輸出力出現(xiàn)明顯的差別,即遲滯現(xiàn)象,此時控制器無法辨別氣動肌肉處于拉伸或收縮狀態(tài),參數(shù)的自適應(yīng)會偏向拉伸狀態(tài)下系統(tǒng)參數(shù)的真值,從而造成a點附近的跟蹤誤差較大。再者所用實驗氣動肌肉可用收縮量在95~120 mm之間,而系統(tǒng)在換向點b附近已經(jīng)接近可用收縮量,此時氣動肌肉的輸出力特性因蠕變等因素變得更加復(fù)雜,現(xiàn)有模型幾乎無法描述此時系統(tǒng)的動態(tài),因而b點附近出現(xiàn)較大的跟蹤誤差。
圖13 跟蹤不同行程周期信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(C1)
圖14 跟蹤周期信號的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差(C1)
1)上肢外骨骼助力機器人采用單根肌肉關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)驅(qū)動,使得氣動肌肉安裝位置靈活,避免了傳感器的裝配干涉,降低了經(jīng)濟成本,釋放了機器人內(nèi)部空間。對普適性的單根氣動肌肉關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計了基于反步法的直接/間接自適應(yīng)魯棒控制器,采用遞歸最小二乘法在線估計系統(tǒng)參數(shù),補償系統(tǒng)的參數(shù)不確定性,進一步由基于梯度法設(shè)計的動態(tài)快速補償項補償系統(tǒng)的參數(shù)估計誤差、建模誤差及外界干擾可估計部分,最后將剩余的系統(tǒng)不確定性通過魯棒反饋抑制,保證了控制器具有確定的暫態(tài)響應(yīng)及良好的穩(wěn)態(tài)性能。
2)對比實驗表明所設(shè)計的控制器具有良好的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。跟蹤不同行程的軌跡時,系統(tǒng)運行平穩(wěn),顫振很小,特別是跟蹤幅值為15 mm正弦信號時,其暫態(tài)最大絕對跟蹤誤差為0.94 mm,穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差均方差為0.21 mm,幾乎沒有顫振現(xiàn)象。同時,干擾測試實驗驗證了所設(shè)計的自適應(yīng)魯棒控制器繼承了傳統(tǒng)魯棒控制器的抗干擾能力。
3)間接自適應(yīng)魯棒控制器穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差比傳統(tǒng)魯棒控制器提高了48.7%,證明了參數(shù)自適應(yīng)具有提高穩(wěn)態(tài)精度的作用,同時所設(shè)計直接/間接自適應(yīng)控制器的暫態(tài)最大絕對跟蹤誤差與穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差均方差相比間接自適應(yīng)魯棒控制器分別提高了55.2%和47.5%,說明快速動態(tài)補償項具有提高暫態(tài)性能和進一步減少穩(wěn)態(tài)誤差的作用。