張明瑞 苗國英 姜琛

摘要針對機械臂系統(tǒng)模型中存在未知擾動的問題，提出了基于擾動觀測器的機械臂阻抗復合控制方法.針對二階阻抗動態(tài)模型，采用由擾動觀測器（DOB）、阻抗控制器和位置控制器構(gòu)成的復合控制策略，其中擾動觀測器用來估計機械臂模型中的未知擾動，阻抗控制器用于修正輸入角度，位置控制器對修正后的角度進行跟蹤控制.復合控制保證阻抗誤差可以收斂到一個小的鄰域，最終實現(xiàn)期望二階阻抗模型的動態(tài)跟蹤.仿真算例驗證了該控制方法的有效性.

關(guān)鍵詞機械臂;阻抗控制;擾動觀測器;位置控制

中圖分類號

TP273

文獻標志碼

A

收稿日期

2021-09-27

資助項目

江蘇省第五期“333工程”科研項目（BRA2020067）;國家自然科學基金（62073169）

作者簡介

張明瑞，女，碩士生，研究方向為機械臂控制、抗干擾控制.1019727563@qq.com

苗國英（通信作者），女，博士，副教授，研究方向為多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制.mgy@nuist.edu.cn

1 南京信息工程大學自動化學院，南京，210044

0 引言

近年來，機械臂在零件磨削、貨物搬運和裝配、康復手術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應用.當機械臂與開放的外界環(huán)境產(chǎn)生直接交互時，需要考慮機械臂的末端環(huán)境接觸力，因為過大的接觸力容易損壞機械臂或給環(huán)境帶來傷害.因此，機械臂在進行接觸作業(yè)時，需要具備一定的柔順性.阻抗控制是重要的柔順控制方法之一，最早由Hogan［1］提出，他的思想是期望軌跡跟蹤誤差與人機交互力之間建立彈簧-質(zhì)塊-阻尼動態(tài)系統(tǒng).

阻抗控制的特點是任務規(guī)劃較少、實現(xiàn)較為簡單、具有較好的魯棒性.因此，國內(nèi)學者從控制角度出發(fā)，設(shè)計了多種有效的阻抗控制方法.文獻［2］對打磨機器人采用基于位置的自適應阻抗控制方法，可以有效跟蹤打磨機器人的末端理想位置，解決了打磨軌跡的補償修正問題，提高了系統(tǒng)的魯棒性.對基于阻抗控制的下肢康復機器人，文獻［3-4］設(shè)置人機交互力矩為約束條件，進行實時控制.文獻［5］對機器人末端阻抗模型參數(shù)進行在線調(diào)整，使機器人適應外界環(huán)境，從而實現(xiàn)機器人的柔順控制.文獻［6］利用阻抗控制修正下肢康復機器人的末端運動軌跡，把期望軌跡與修正軌跡的誤差滑模化，轉(zhuǎn)換為滑模函數(shù)，再進行模糊化后，將自適應力矩作用于下肢康復機器人，使其達到期望的接觸力矩.文獻［7］將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗控制應用到下肢康復軟質(zhì)外骨骼機器人中，提高了人機交互的柔順性和協(xié)調(diào)性.文獻［8］提出非奇異終端滑?？刂品椒▽ψ杩箍刂菩拚拇蚰ボ壽E進行跟蹤控制，解決了曲面高精度打磨問題.關(guān)于機械臂的跟蹤控制問題，現(xiàn)有文獻多未考慮外部干擾，但是在機械臂的阻抗控制中，外部擾動的存在會影響阻抗誤差的收斂性.

本文在李雅普諾夫函數(shù)的基礎(chǔ)上提出一種基于擾動觀測器的阻抗復合控制器，采用由擾動觀測器、阻抗控制器和位置控制器構(gòu)成的復合控制策略.利用Matlab／Simulink工具，對基于擾動觀測器的阻抗復合控制進行仿真，仿真結(jié)果驗證了所提出算法的有效性.

1 擾動觀測器的設(shè)計與分析

1.1 機械臂模型

對于N自由度的機械臂，通過拉格朗日動力學方程，建立機械臂關(guān)節(jié)通用的動力學模型［9］：

3.2 仿真結(jié)果

圖3表示系統(tǒng)的阻抗誤差.圖4表示擾動值和擾動觀測值．圖5表示復合控制器式（21）和無擾動觀測器的傳統(tǒng)阻抗控制對期望軌跡的跟蹤效果對比.由圖3可知，所提出的基于擾動觀測器的阻抗復合控制，在短時間內(nèi)使得阻抗誤差收斂到了一個小鄰域.由圖4可知擾動觀測器對實際擾動的觀測效果較好.由圖5可知，基于擾動觀測器的阻抗復合控制相較于傳統(tǒng)的阻抗控制，跟蹤控制效果更好.

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于擾動觀測器的阻抗復合控制器，采用擾動觀測器和阻抗控制器、位置控制器組成復合控制器.所提出的基于擾動觀測器的阻抗復合控制器，在機械臂與外界環(huán)境發(fā)生接觸的情況下，阻抗誤差收斂到一個小鄰域，實現(xiàn)了二階期望阻抗關(guān)系，有很好的跟蹤控制效果.

參考文獻

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Impedance composite control for manipulator

based on disturbance observer

ZHANG Mingrui1 MIAO Guoying1 JIANG Chen1

1School of Automation，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

Abstract In this paper，an impedance composite control method based on disturbance observer is proposed for manipulator system with unknown disturbances.For tracking the second order impedance dynamic model，a composite control strategy is designed，which includes the disturbance observer （DOB），the impedance controller，and the position controller to estimate unknown disturbances，correct input angle，and track the adjusted angle，respectively.This composite control strategy ensures that the impedance error converges to a small neighborhood，thus realizes the desired dynamic tracking of the second order impedance model.The effectiveness of the proposed control method is proved by simulation examples.

Key words manipulator;impedance control;disturbance observer （DOB）;position control