水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究

第23卷第4期

2008年12月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报

Journal o f Anhui U niver sity o f T echno log y and Science V o l.23.N o.4Dec.,2008

收稿日期:2008-08-10

基金项目:863国家高技术研究发展计划基金资助项目(2006aa04z244)

作者简介:许德章(1964)),男,安徽庐江人,教授,博士.文章编号:1672-2477(2008)04-0001-04

水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究

许德章,杨 明,汪步云

(安徽工程科技学院机械工程系,安徽芜湖 241000)

摘要:基于水下精细作业任务需求,阐述了手爪关节驱动形式的选择过程,满足水下作业灵巧手体积小、效率

高、负荷大、结构相对简单的要求.并在此基础上,探讨了接触力控制液压回路设计的基本思路,双闭环接触力

控制系统的工作原理.为了精确地控制手指与目标间接触力,液压伺服单元选用M oog 公司的D633系列伺服

阀,实现接触力连续控制.

关 键 词:水下作业;手指;接触力;控制系统

中图分类号:T H137.7 文献标识码:A

引 言

水下工程与装备在国民经济与国家战略中占有重要位置[1].目前,所见到的商业化水下作业机械手一般都是开合型夹持器,例如Bauman's M oscow State Technical U niversity 研制的各类水下机械手[2].与工业机器人夹持器相比,其结构基本相同,工作原理类似,只是为了适合水下特殊作业环境,且满足大负荷要求,通常采用液压驱动形式.开合型夹持器只能完成水下钢索、电缆剪断或切割等简单操作,作业范围有效,精细程度不足.因此,研制一种能满足水下精细作业要求的机械(水下作业灵巧手)是水下工程的迫切要求.

从技术角度看,机械手若具备水下精细作业能力,需要满足一系列技术条件,如手爪本身的结构(自由度和关节个数),作业环境感知能力等.其中,作业环境感知能力是完成水下精细作业的先决条件.例如,在打捞水下易碎物品时,就需要精确控制手指与抓取目标间的接触力,接触力过大会造成物品损坏,过小物品从手指间滑落.多年来,国内外专家一直致力于手指与目标间接触力控制研究,从不同角度探讨解决方案.1992年,日本的Kiy oshi Ohishi 从理论上探讨,在没有力传感器的条件下,借助H ]加速度控制器,寻求解决机械手操纵力控制问题的可行性[3].遗憾的是水下作业环境可变因素太多,是一个典型的非特定作业环境,难以建立准确的模型,在没有力传感器的条件下,难以实现真正意义上的力控制.

手指与目标间接触力控制的策略主要有力/位混合控制(H y brid Position/Force Control )

[4]和阻抗控

图1 手爪样机制(Im pedance Control )[5]两种基本方法,其他方法一般都是在这

两种基本方法基础上加以改进或综合,如美国的Yo ng Cui 针对

水下作业特点,设想利用阻抗和力/位混合控制各自的优点,通过

权重的模糊选择,将阻抗和力/位混合控制综合成一体,形成统一

的控制策略[6];再如,美国J.Yuh 设计一个干扰观测器(Disturb -

ance Observer),用干扰观测误差综合反映水下作业系统的非线

性和不确定性[7].

综合国内外在机械灵巧手,尤其是水下精细作业方面的研究

成果,我们研制的机械灵巧手采用6关节、3手指结构.为了满足

水下大负荷、小体积的特殊需要,3个指关节采用3只液压缸驱

动,3个根关节共用1只摆线马达驱动,样机如图1所示.针对机

械灵巧手液压驱动技术方案,本文从手指与目标间接触力控制的

角度,着重阐述控制系统的物理配置和组成方案,为系统性能分

析、控制器设计等后续问题探讨,提供一个顶层框架.

1 灵巧手关节运动功能分析

不管灵巧手完成何种作业任务,握住或抓住1个物体或目标是其应该具备的基本功能.灵巧手抓取目标通常分包络抓取(Enveloping Grasp)和精密抓取(Precision Grasp)两大类[8].包络抓取的主要特征是手指、手掌与目标间有较大接触区域,能牢牢抓住目标,手指操纵目标的灵巧性很差.精密抓取的特征是仅手指的指尖与目标接触,手指对目标操纵的灵活性得到充分发挥.当强调抓取的稳定性时,通常选择包络抓取;当强调对目标操纵的灵活性时,一般选择精密抓取.灵巧手能握住目标,需满足对目标的约束条件,即灵巧手的手指在目标周围合理分布,获得形封闭、力封闭或平衡抓取条件的满足.

灵巧手完成目标抓取作业可分为接近目标、执行抓取和操纵目标三个基本阶段.根据作业任务性质和特点,接近目标阶段可以进一步细分为目标识别、抓取模式选择、目标接触面或点的选择、手指移动轨迹的确定、手的预成形等,这一过程主要实现目标形状特征获取和抓取规划两项基本功能,是关节控制指令生成的前期准备工作,属于关节伺服控制的上一层任务.手的预成形、抓取和目标操纵的动作执行需要关节驱动器完成,即属于关节伺服控制完成的功能.

机械手一般有旋转、移动两种基本关节类型,本灵巧手的根关节为旋转关节,由液压马达驱动;3个指关节为移动关节,由液压缸驱动.以液压马达和液压缸为执行元件的液压伺服系统,只能控制执行元件的运动方向、运动速度、负载驱动能力3个基本物理量,即液压马达的正转与反转,转动的速度,输出转矩;液压缸活塞杆的正向与反向移动,活塞杆的移动速度和驱动力.据此,灵巧手执行目标抓取与操纵任务的动作虽然复杂,但应由根关节液压马达旋转和指关节液压缸活塞移动的基本动作组合实现.

表1 液压系统主要元件型号列表

名称标号生产厂家型号

主要参数数量液压动力源PPH 4/6.3Danfoss P PH 4

旁路电磁阀线圈电机

电机转速1000r ad/min,F ma x =0.058m 3/s,P = 2.5~14M Pa 直流24V

单相交流,220V ,0.75kW 1节流阀

F 3/F6Danfoss V OH 30M P ma x =14M P a,F min =0.05m 3/s 4液压马达

M A H Danfoss M V M 160M A H 4F max =0.29m 3/s,M max =8N.m,P ma x = 3.2kW ,W =4.1kg 1水压缸

G1/G2/G 3Danfoss A Q 70FD 25/12*100内径=25mm,活塞杆直径=12mm,行程=100mm 3压力控制阀F 7/F8M o og D6303P ma x =35M Pa 22 灵巧手关节驱动液压系统设计

根据以上关节运动功能分析,液压系统需要满足如下要求:

(1)为了实现手指趋近和离开目标两个基本动作,液压马达和液压缸需具备正、反两个方向的运动功能,即液压回路具备流体介质换向功能;

(2)为了满足手指趋近和离开目标运动速度的控制要求,液压回路需具备流体流量控制功能.根据精细作业任务的要求,流量必须连续控制,且应由电脑自动完成;

(3)为了实现手指与目标间接触力连续可控的功能,液压驱动元件进出口间的压力差必须连续可控.依据以上3点要求,设计的液压回路如图2.其中虚线部分为液压动力源PPH 4,包括电机M 、液压泵PA 、高压油箱Q 、单向阀F1、安全阀F2、压力表M1、过滤器F 等.驱动手指1、手指2、手指3的3个液压缸分别为G1、G2、G3,其流量通过节流阀F5初步设定;液压马达M AH 是根关节驱动元件,其流量通过F4初步设定.液压缸和液压马达流量的精细调节通过液压伺服阀F7、F8,由DSP 自动控制.节流阀F6、F3为3只液压缸G1、G2、G3和液压马达MAH 提供背压.F7和F8选用美国M oog 公司的伺服比例阀,借助F7和F8对流量和压力的连续控制,实现手指接触力精确控制.经过必要的工程核算,图2的液压系统主要元件选型如表1,液压系统样机如图3所示.

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