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        寧波材料所榮獲2018IMIOT&ICSEE會議最佳論文獎
        作者:,日期:2018-09-26

          9月21日至23日,由重慶市科協、重慶大學、英國貝爾法斯特女王大學聯合主辦的2018國際前沿科技創新大會——智能制造及可持續能源會議在重慶召開。中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬二級所先進制造技術研究所精密運動與先進機器人技術團隊博士后王沖沖在研究員楊桂林的指導下完成的論文“Impedance Control of Flexible Joint Based on the Frequency Separated and Disturbance Observer Torque Control Scheme”獲該會議最佳論文獎。

          為了保證與人交互安全性的需求,下一代協作機器人往往采用輕量化的結構設計,并進行柔順運動控制以提高機器人運動的柔順性。機器人關節的輕量化設計中普遍采用輕質、高轉動比的諧波減速器,由此帶來關節柔性的增加,關節振動加劇。在關節柔順控制中,動態載荷和非線性摩擦等干擾因素的存在,將導致關節柔順控制性能下降。目前針對柔性關節的振動抑制,主要采用力矩反饋的方式提高控制系統的諧振頻率,以達到振動抑制效果。理論上講,力矩反饋系數越高,振動抑制效果越好;但是,在實際應用中,由于力矩信號的測量噪聲,力矩反饋控制帶寬無法提高。另外,通常采用的基于模型和干擾觀測器的干擾補償方法,由于動態載荷模型和非線性模型引起的模型不確定較大,導致觀測器帶寬受限。

          針對以上問題,論文首先分析了柔性關節動力學響應特性并建立其動力學響應,在此基礎上提出采用分頻段力矩反饋的方法:高頻段采用低增益的力矩反饋以避免力矩測量噪聲的放大,以保證控制系統的穩定性;低頻段力矩反饋控制器設計時將不再受到噪聲和穩定性的限制,能夠采用高增益的力矩反饋控制,這不僅能夠提高系統的振動抑制能力,而且削弱了動態載荷和非線性摩擦的影響。分頻力矩反饋閉環控制后的,對閉環后的系統采用干擾觀測器,以進一步補償干擾。閉環控制后的系統模型不確定性將大大減小,干擾觀測器設計和實現簡單,帶寬提高。采用論文提出的控制方法,關節位置跟蹤、阻抗控制和力跟蹤性能均得到了提升:與傳統方法相比,關節定位精度由0.001弧度提高到0.0002弧度,加減速過程關節振動幅度減小37%,對外力的敏感度提高約50%。

          該論文得到了國家自然科學基金浙江省兩化融合聯合基金(U1509202),博士后面上基金(2016M601987)等項目支持。

          

        (a)

        (b)

        圖1(a)關節模塊的機械結構圖;(b)分頻力矩反饋結合干擾觀測器的關節模塊柔順控制系統框圖

          圖2 采用不同控制器的關節控制性能對比(左)關節位置跟蹤效果;(右)關節阻抗控制效果。三種控制器分別為傳統的力矩反饋PD控制器(黑色),分頻力矩反饋PD控制器(藍色),分頻力矩反饋PD控制器結合干擾觀測器(紅色)。

          

          (先進制造所 王沖沖)

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