氣動(dòng)肌肉外文翻譯

1、外 文 翻 譯ADAPTIVE ROBUST POSTURE CONTROL OF A PNEUMATIC MUSCLES DRIVEN PARALLEL MANIPULATOR 氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的自適應(yīng)性魯棒姿態(tài)控制系別：機(jī)械與汽車(chē)工程系專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師姓名、職稱：完成日期 2015年12月21日摘要部分氣動(dòng)機(jī)器人由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的自由定位，所以不能進(jìn)行靈巧、柔順的抓取操作，從而限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手臂可以像人類手臂一樣進(jìn)行靈巧，柔順的抓取操作,但是氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)模型必然存在嚴(yán)重的參數(shù)不確定性，基

2、于不連續(xù)的自適應(yīng)魯棒控制，對(duì)該系統(tǒng)的非線性參數(shù)(如氣動(dòng)肌肉的摩擦力和外部干擾)采取有效的控制，以實(shí)現(xiàn)顯著的姿態(tài)軌跡控制。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)魯棒控制器控制的有效性。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)肌肉、并聯(lián)機(jī)器人、自適應(yīng)魯棒控制 1介紹氣動(dòng)肌肉是一種類似人類肌肉的新型的柔性機(jī)構(gòu)，它是由橡膠管和交叉編織護(hù)套材料組成。其基本工作原理如下：當(dāng)橡膠管充氣，交叉編織護(hù)套橫向擴(kuò)張，導(dǎo)致軸向壓縮力與氣動(dòng)肌肉的終點(diǎn)位置的變化。因此，其沿軸線方向的氣動(dòng)肌肉的位置和力的控制，可以通過(guò)調(diào)節(jié)其橡膠管的內(nèi)部壓力實(shí)現(xiàn)。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)器人（PM BY PM）包括三個(gè)氣動(dòng)肌肉連接的并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)臂的基礎(chǔ)平臺(tái)，如圖1所示?？刂迫齻€(gè)

3、氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度，通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)。這樣的并聯(lián)機(jī)器人結(jié)合可調(diào)剛度和高功率/體積比（氣動(dòng)肌肉并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊），可有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化和仿生裝置。圖1氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)肌肉動(dòng)力學(xué)模型存在嚴(yán)重的非線性變動(dòng)參數(shù)，包括各種摩擦，遲滯和溫度收縮力，這些因素使得氣動(dòng)肌肉的精確位置不能得到控制，這在過(guò)去的幾年中已經(jīng)獲得了極大的關(guān)注。雖然已完成大量對(duì)氣動(dòng)肌肉的控制研究，但他們大多都不考慮氣動(dòng)肌肉的壓力，動(dòng)力學(xué)，橡膠的管內(nèi)的壓力和流量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。沒(méi)有考慮壓力動(dòng)力學(xué)主要處理單位或拮抗肌肉致動(dòng)器的控制器設(shè)計(jì)的研究較少。這項(xiàng)研究需要精確的系統(tǒng)模型和擾動(dòng)動(dòng)態(tài)下的匹配條件。

4、在本文中，考慮了并聯(lián)機(jī)器人的氣動(dòng)肌肉示于圖驅(qū)動(dòng)的姿態(tài)控制，其中每個(gè)氣動(dòng)肌肉是由兩個(gè)快速切換閥控制。這樣的系統(tǒng)不僅能控制一切與氣動(dòng)肌肉有關(guān)的狀態(tài)，也是耦合的多輸入多輸出（MIMO）增加難度的并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。自適應(yīng)魯棒控制方法應(yīng)用于減少集中未知不確定非線性和參數(shù)不確定性，很大程度上在使用一定的魯棒反饋控制補(bǔ)償模型不確定性的影響。所提出的控制器設(shè)計(jì)明確考慮到交流計(jì)數(shù)的壓力動(dòng)態(tài)的影響。因此，高跟蹤性能的實(shí)踐驗(yàn)證了所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2動(dòng)態(tài)模型對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，基礎(chǔ)平臺(tái)，中心桿和三個(gè)氣動(dòng)肌肉組成。氣動(dòng)肌肉與移動(dòng)平臺(tái)和基礎(chǔ)平臺(tái)，由球形關(guān)節(jié)連接，這是均勻分布在各自的平臺(tái)

5、上的一個(gè)圓圈。中心柱剛性固定于基座平臺(tái)，由一個(gè)球頭連接到移動(dòng)平臺(tái)。并聯(lián)機(jī)器人的姿態(tài)是通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的角度定義。滾動(dòng)角度X繞X軸，Y俯仰角和偏航角Z繞Z軸，雙速切換閥是用來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)氣動(dòng)肌肉的壓力的，而這種組合的組件被稱為隨后的驅(qū)動(dòng)單元。假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)的慣性矩陣是I（），機(jī)械手平行矢量角速度矢量的變換矩陣是G（）、球形接頭粘性摩擦系數(shù)矩陣為C S = diag（ C S1，S2 S3 T C，C），一階偏微微分運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)矩陣J（），三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的等效質(zhì)量矩陣M，在任務(wù)空間的擾動(dòng)D P（t）和肌肉力量的載體F M = F M1，F(xiàn)M2，F(xiàn)M3 T，這將在下一次節(jié)交代。然后運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型為 每個(gè)驅(qū)

6、動(dòng)單元的i，肌肉力量可以被描述為在i= Xmi /L0，Xm是壓縮、氣動(dòng)肌肉，F(xiàn)r是橡膠彈性力的補(bǔ)償，P是氣動(dòng)肌肉的壓力，a ,b是氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，k是一個(gè)滑動(dòng)效果的因素，F(xiàn)建模誤差?？諝饬鹘?jīng)閥門(mén)的一個(gè)快速切換閥的質(zhì)量流量占空比用u表示其中P U是上游的壓力，下游的壓力P D，Tu是上游的溫度，一個(gè)是閥門(mén)R一個(gè)是有效瓣口面積為氣體常數(shù)f（Pu/ Pd）的非線性流函數(shù)。一般壓力動(dòng)態(tài)方程（Richer and Hurmuzlu, 2000）：a和b代表的未知參數(shù)是氣動(dòng)肌肉的內(nèi)容積和氣動(dòng)肌肉的熱力學(xué)溫度。從公式1定義并行驅(qū)動(dòng)力矩在任務(wù)空間機(jī)械臂為= Jpt（）Fm和執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)其中是Fmi

7、的可計(jì)算部分，D（t）表示在驅(qū)動(dòng)單元空間（肌肉空間）所有未知干擾是一種非線性增益函數(shù)的矩陣推導(dǎo)式。因此 ，集合的狀態(tài)變量的定義描述為X =x T1,XT 2, XT3 T = T, T, T T ，整個(gè)系統(tǒng)可以表示在狀態(tài)空間形式 為而P = F P （X 1,X3）是的反函數(shù)。3自適應(yīng)魯棒控制器3.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題，假設(shè)和符號(hào) 一般系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化，由于Cs，Ip的變化的不確定性，a,b和Dp, D的未知非線性,其中，Dp和D可由兩部分組成,名義上的部分記為D p和D是恒定的或緩慢變化和被通過(guò)參數(shù)自適應(yīng)和快速變化處理?？梢钥闯?，系統(tǒng)的主要困難，控制：系統(tǒng)具有嚴(yán)重的參數(shù)不確定性，變阻尼系數(shù)，多變指數(shù)a

8、和b。因此應(yīng)采取的參數(shù)自適應(yīng)方法，減少參數(shù)的不確定性。（乙）系統(tǒng)很大程度上建模集中誤差等未知干擾和摩擦力，這是包含在D p和D。因此，該方法具有一定的魯棒性，應(yīng)用于處理不確定的非線性能提高有效性能。（丙）模型的不確定性是不匹配的，即參數(shù)的不確定性和不確定性的非線性出現(xiàn)在動(dòng)態(tài)方程，是不直接相關(guān)的控制輸入，因此，應(yīng)采用反推設(shè)計(jì)技術(shù)，克服設(shè)計(jì)困難，實(shí)現(xiàn)漸近穩(wěn)定。由于參數(shù)的不確定性和不確定性的非線性程度存在，參數(shù)的不確定性和不確定性的非線性應(yīng)該滿足= ：minmax，和D pDpmax，DDmax.讓表示和=估計(jì)誤差,不連續(xù)的投影可以被定義為eq.7為了參數(shù)及其衍生物在自適應(yīng)魯棒控制的全過(guò)程中有界適用

9、定律是 = Proj ()，在> 0是一個(gè)對(duì)角矩陣和是適應(yīng)功能是合成后用投影映射方程3.2弧控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)平行的遞歸反推設(shè)計(jì)程序在任務(wù)空間和肌肉通過(guò)電弧空間里雅普諾夫函數(shù)如下。1）步驟一：定義一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)數(shù)量為Z2=Z1+ KcZ1，其中Z 1 = x 1Y D的軌跡跟蹤誤差矢量和Kc是一個(gè)正對(duì)角矩陣。如果Z2收斂到一個(gè)很小的值或0，那么Z1將收斂到一個(gè)很小的值或0，因?yàn)閺腪1到Z2的傳遞函數(shù)是穩(wěn)定的。然后，對(duì)eq.9同時(shí)注意到eq.6，任務(wù)空間中的未知參數(shù)向量P = Cs1，Cs2 Cs3, Dpn1, Dpn2, Dpn3 T在任務(wù)空間中的參數(shù)不確定性被描述為在這2 = diag（G

10、 T Gx2），I是一種參數(shù)自適應(yīng)。如果作為eq.10輸入，一個(gè)虛擬控制法d合成，Z 2盡可能小。d由兩方面運(yùn)用,通過(guò)在這da的作用通過(guò)自適應(yīng)控制法實(shí)現(xiàn)和2 =2ITp z2參數(shù)自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一種改進(jìn)的模型補(bǔ)償。day有控制規(guī)律，由兩方面加強(qiáng)魯棒控制。DS =DS1 +DS2，DS1 =I P K 2其中K 2是積極的增益控制功能的參數(shù)，和DS2合成控制模型的不確定性來(lái)自參數(shù)不確定性和非線性不確定性，滿足下列條件2是一個(gè)積極的設(shè)計(jì)參數(shù)，讓輸入的差異是Z 3 =D，替eq.12為eq.10V 2 = Z 2T Z 2 / 2，它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是2）步驟二：虛擬控制輸入Qm合成，使Z 3收斂到零或一個(gè)小

11、值以保證其瞬態(tài)性能。衍生的輸入差異：導(dǎo)出x 1輸出微分觀測(cè)器的設(shè)計(jì)在下一部分。直流源于D，可以用于設(shè)計(jì)控制功能，但由于各種不確定因素?zé)o法計(jì)算，D 3 =Ddu是肌肉中的總的不確定性。肌肉空間未知參數(shù)向量是= a1，a2，a3，b1、b2，b3，dn1，dn2和dn3，在肌肉空間中的參數(shù)不確定性的描述為一種參數(shù)自適應(yīng)回歸,給出了虛擬輸入qmds用于自適應(yīng)模型補(bǔ)償和適應(yīng)功能3 =3Z3。魯棒控制規(guī)律mds由以下兩方面組成其中K 3是一個(gè)正反饋增益矩陣和qmds2是一個(gè)強(qiáng)大的控制選擇功能，控制模型的不確定性滿足下列所有條件3是一個(gè)積極的設(shè)計(jì)參數(shù)，考慮增強(qiáng)PSD函數(shù)V 3 =V 2 +z T3Z3 /

12、2，它的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是在一般情況下，跟蹤誤差是有界的。此外，在參數(shù)不確定性的情況下漸近輸出跟蹤或零，最終跟蹤誤差將得到零。3）.步驟三：逆流圖是用來(lái)計(jì)算快速切換閥的具體任務(wù)指令，提供所需的流量qmd。每個(gè)閥門(mén)的控制輸入，u = K (1)q* qmd。3.3輸出微分觀測(cè)器從上面看到的eq.20計(jì)算需要的姿態(tài)、速度和加速度，因此輸出微分觀測(cè)器（QI et al.，2003）提出了速度和加速度由于依賴于不準(zhǔn)確的氣動(dòng)肌肉的收縮力和摩擦力的動(dòng)態(tài)模型難而建立。設(shè)為的估計(jì)值，I代表指數(shù)分別是極點(diǎn)配置方法是利用指定的值的a1，a2，a3，根據(jù)預(yù)期的性能指標(biāo)。輸出微分觀測(cè)器的誤差可以被集中到不確定的非線性項(xiàng)Dp和

13、D，這可以通過(guò)魯棒控制衰減。3.4設(shè)計(jì)參數(shù)分析從以上程序，C 1，C 2、C 3、2、3和適應(yīng)率2，3是設(shè)計(jì)參數(shù)，它對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和最終的跟蹤誤差有很大影響。（a）Kc有助于Z 1大幅度收斂到零，這是由于未建模動(dòng)態(tài)高頻下總控制系統(tǒng)的帶寬限制速度高，飽和的控制變量和限制采樣頻率等。（b）2、3動(dòng)態(tài)性幅度小，選擇自解控制精度低， K 2 、K 3大幅度動(dòng)態(tài)性，選擇自解控制精度高。v =2minmin（K 2）（K 3） denotes最小特征值A(chǔ)和矩陣V=2 + 3。（C）2、3的適應(yīng)率Z2、Z3，Z2、Z3積分自下面的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程代入到eq.16和eq.18，前者分別推導(dǎo)。是有界不確定性。利用極

14、點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)了2、3和的控制增益2，3。它們被限制的帶寬的系統(tǒng)為Kc。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制概念的有效性驗(yàn)證幾種被測(cè)物供應(yīng)壓力為0.48 MPa。圖2是建立實(shí)驗(yàn)（yao et al.，2005）ARC和DRC控制器的測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)和性能指標(biāo)（Yao，2004）。圖2控制器是緩慢平穩(wěn)的階躍響應(yīng)如5S的圖中所示的上升時(shí)間測(cè)試，以響應(yīng)姿勢(shì)x = 0°，y0°，姿勢(shì)x = 6°，y4 °（在本系統(tǒng)Z是忽略它的值總是接近0。）圖3，ARC性能比DRC更好，ARC最終誤差E XF = 0.0195， E YF = 0.0232，最大絕對(duì)誤差為E XM = 0.2694和E

15、 YM = 0.4685。測(cè)試控制性能魯棒性的突發(fā)干擾中，位置傳感器遭受突然的抖動(dòng)，可被認(rèn)為是一個(gè)突變的干擾系統(tǒng)。這種情況的響應(yīng)如圖4所示。可見(jiàn)，系統(tǒng)產(chǎn)生較大的跟蹤誤差由于位置傳感器錯(cuò)誤的反饋信息，然后抖動(dòng)消失后，系統(tǒng)回到穩(wěn)定的姿態(tài)迅速。因此，控制算法是魯棒的干擾?？刂破髟俅芜\(yùn)行的并聯(lián)機(jī)器人的跟蹤正弦運(yùn)動(dòng)軌跡頻率不同。例如，圖5的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡跟圖6周期正弦運(yùn)動(dòng)軌跡在不確定性的任務(wù)空間。再次確認(rèn)ARC能比DRC達(dá)到更好的性能。ARC的平均誤差為2【E X = 0.1299°、L 2 e y = 0.1012°和最大絕對(duì)誤差E XM = 0.3688°、E YM =

16、0.3033°。這并不奇怪，有較大的未建模的不確定性，所以有大的建模誤差，最終跟蹤誤差也會(huì)變大。 圖3 圖4 圖5 圖65.結(jié)論本文研究了一種由六個(gè)快速切換閥控制的氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制問(wèn)題。這樣一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，受到嚴(yán)重的參數(shù)不確定性和不確定性的非線性影響，已提出了一種自適應(yīng)魯棒控制器來(lái)處理這些模型的不確定性。所提出的控制器實(shí)現(xiàn)了其瞬態(tài)性能，以及保證最終的跟蹤精度。利用輸出差分觀測(cè)并聯(lián)機(jī)器人速度和加速度，以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的和有效的方式實(shí)施擬議的自適應(yīng)魯棒控制器。已被獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提出的ARC控制器的良好的跟蹤性能。6.引用Bowler, C.J., D.G.

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