摘要： 水下作業(yè)系統(tǒng)太多采用液壓驅(qū)動。本文設(shè)計了一種握力傳感器井對其性能進(jìn)行研究，建立了控制機(jī)械手爪的電液位置伺服系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)成了基于電液位置伺服系統(tǒng)的機(jī)械手夾持力控制系統(tǒng)，采用帶有可自動調(diào)整的智能權(quán)函數(shù)的摸期控制器來控制機(jī)械手夾持力，井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證明，使用這種控制方法系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、控制精度高、能夠滿足機(jī)械手爪抓取作業(yè)時對夾持力控制的要求。 關(guān)鍵詞： 握力傳感器；電液伺服系統(tǒng)；摸期控制：機(jī)械手 引 言 機(jī)械手爪是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈巧操作的重要部分，它的靈巧抓握操作是體現(xiàn)機(jī)器人智能化程度的一個重要標(biāo)志。電液伺服系統(tǒng)易受系統(tǒng)壓力、油溫等變化的影響，系統(tǒng)參數(shù)易變，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，對于采用電液伺服控制的水下作業(yè)機(jī)械手來說，對其進(jìn)行有效、寬范圍、精確的夾持力的控制問題一直未得到很好的解決。因此，對于液壓機(jī)械手夾持力控制技術(shù)進(jìn)行深人地研究，對于提高機(jī)械手的作業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)其作業(yè)的智能化，有著重要的理論意義和實(shí)際工程意義。 1 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)及工作原理 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)為典型的連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。滑塊的直線運(yùn)動驅(qū)動手爪平行兩指的張開與合攏。機(jī)械手爪可簡化為如圖2所示的連桿機(jī)構(gòu)，ABC為一整 體，其中AB=34mn，BC=34mm，AC=60mn；D為滑塊，沿Y方向做直線運(yùn)動，通過連桿BD帶動ABC實(shí)現(xiàn)手爪的張開與合攏，D的最大行程為15mn；C為手指基體上一點(diǎn)，由于手指是平行移動的，即c點(diǎn)只能沿x方向運(yùn)動，則c點(diǎn)的位移即為手指張開、合攏時 進(jìn)給的尺寸。圖2中D點(diǎn)的位置為初始位置，即手爪合攏時滑塊的位置，令A(yù)C繞A轉(zhuǎn)角為θ，逆時針為正，在圖2中所示位置θ=0°，當(dāng)滑塊在初始位置，即Y=0時，轉(zhuǎn)角θ=0°，此時手爪合攏；當(dāng)滑塊在極限位置，即Y=15mn時，θ=42.5°。此時手爪張開最大。手指位移x與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為： 則手指位移最大值為40．5mm，即手爪張開最大距離為81mn。 2 電液位置伺服系統(tǒng) 電液位置伺服系統(tǒng)由液壓動力源、電液伺服閥、直線油缸、角位移傳感器和控制器組成，如圖3所示。電液位置伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥采用型號為CSDY15的射流管伺服閥，液壓源調(diào)定工作壓力為10MPa，油缸采用非對稱型直線液壓缸，即單桿缸，其活塞直 徑D=30nun，活塞桿直徑d=18m ．活塞直線行程為15ram，活塞桿推出時手爪張開，活塞回收時手爪閉合，角位移傳感器采用精密電位計，控制器為用模擬電路實(shí)現(xiàn)的超前一滯后控制器。 3 握力傳感器 握力傳感器為垂鏈?zhǔn)侥てY(jié)構(gòu)，膜片的變形區(qū)貼有應(yīng)變片以檢測夾持力的大小，四個應(yīng)變片構(gòu)成全電橋以提高傳感器的線性度和靈敏度，相互補(bǔ)償由于溫度等因素引起的誤差和漂移。握力傳感器有兩個作用：一是檢測機(jī)械手抓握物體時作用在物體上的垂直作 用力的大小；二是依靠其變形區(qū)的形變產(chǎn)生易于控制的對物體的作用力，即對抓取圖4握力傳感器的譬出信號對象物的夾持力是由握力傳感器依靠其變形區(qū)的形變產(chǎn)生的。握力傳感器安裝在手指表面直接與抓取對象物接觸，為提高與抓取對象物間的摩擦系數(shù)、增大手指的柔順性、減小抓握物體時對物體的沖擊力，在握力傳感器與對象物接觸的表面上貼有一層橡膠。對握力傳感器進(jìn)行力加載試驗(yàn)傳感器的輸出信號s與作用力F的關(guān)系如圖4所示，通過試驗(yàn)可知，這種傳感器線性度好、回程誤差小、精度高，能夠滿足機(jī)械手抓取作業(yè)時對夾持力測量的需要，s與F的關(guān)系為 讓手爪抓握剮性物體，從接觸開始每次讓手爪進(jìn)給相同的位移，得手爪進(jìn)給位移d 與握力傳感器輸出信號S的關(guān)系曲線如圖5所示。由于握力傳感器輸出信號s與作用力，之間為線性關(guān)系，因此由圖5可以看出，手爪位移與力的關(guān)系是非線性的，可分為三個階段： （1）0≤dx<0．6 （2）0．6<～dx<1．7 （3）1 7≤dx≤2．8 在階段（1）曲線斜率很小，說明每次進(jìn)給握力傳感器的變形區(qū)變形很小，這是由于傳感器表面的橡膠承擔(dān)了大部分變形；在階段（2）曲線斜率增大了許多，這是由于傳感器表面的橡膠已基本不再變形，手爪位移引起的傳感器的變形主要由傳感器的變形區(qū)來承擔(dān)；在階段（3）曲線斜率又有所增加，這時橡膠已不再發(fā)生形變，手爪位移引起的傳感器的變形全部由傳感器的變形區(qū)來承擔(dān)。對圖5所示曲線進(jìn)行分段擬合得： 4 機(jī)械手夾持力的模糊控制技術(shù) 模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制技術(shù)。由模糊邏輯推理法，對于n條模糊控制規(guī)則可以得到rt個輸入輸出關(guān)系矩陣R ，R[sub]2[/sub]，...... ，R[sub]n[/sub] ，從而由模糊規(guī)則的合成算法可得系統(tǒng)總的模糊關(guān)系矩陣為 對于任意系統(tǒng)誤差E和誤差變化DE，，其對應(yīng)的模糊控制器輸出U為: 對由式（1）得到的模糊控制量U進(jìn)行精確化計算就可以直接控制系統(tǒng)對象了，然而在實(shí)際應(yīng)用中．由于模糊關(guān)系矩陣R是一個高階矩陣．如果對任意瞬間的系統(tǒng)誤差E和誤差變化DE都用式（1）合成計算出即時控制輸出U，就會花費(fèi)大量時間，使系統(tǒng)適時控制性能變差。因此常規(guī)模糊控制器在實(shí)際應(yīng)用中常采用查表法，然而使用查表法一旦模糊控制表確定以后，這種模糊控制器的控制規(guī)則就固定不變，對于不同的被控對象，簡單的模糊控制器采用不變的控制規(guī)則不能獲得預(yù)期的控制效果。尤其對于那些時變的、非線性的、復(fù)雜的系統(tǒng)采用模糊控制時．為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制器具有較完善的控制規(guī)則，這些控制規(guī)則是操作者對受控過程認(rèn)識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。由于被控過程的非線性、高階次、時變性以及隨機(jī)干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則粗糙或不夠完善，都會不同程度地影響控制效果。為了彌補(bǔ)其不足，使控制規(guī)則在控制過程中自動調(diào)整和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，這樣就出現(xiàn)了控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器式（2）是一種帶有一個調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則。 當(dāng)n較大時。表明對 重視程度高，因此響應(yīng)快、超調(diào)大、振蕩幅度大、調(diào)節(jié)時間長；當(dāng)（1一n）較大時，表明對DE重視程度高，因此響應(yīng)慢、超調(diào)小。所以采用帶有自調(diào)整因子的模糊控制器時，在適當(dāng)確定誤差及誤差變化的論域的基礎(chǔ)上，再通過調(diào)整調(diào)整因子可以獲得較好的控制效果。采用帶調(diào)整因子的模糊控制器不僅可以使控制表設(shè)計簡單，而且可以避免在極大極小合成法設(shè)計中由于信息丟失過多等原因造成的控制表錯誤，同時調(diào)整因子具有明確的物理意義，可模擬人在實(shí)際控制時對誤差、誤差變化權(quán)衡的結(jié)果，針對不同控制對象采用不同的調(diào)整因子。有經(jīng)驗(yàn)的操作者總是根據(jù)當(dāng)前的誤差及誤差變化適當(dāng)?shù)卣{(diào)整控制策略，比如，在誤差比較大時，主要矛盾是消除誤差，因此誤差要有較大的權(quán)因子。而當(dāng)誤差較小時，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩，使系統(tǒng)具有較好的快速性和平穩(wěn)性，應(yīng)該加大對誤差變化的權(quán)因子。然而，帶多個調(diào)整因子的模糊控制器雖然控制性能較好，但隨著誤差、誤差變化及控制量論域量化等級的增加，調(diào)整因子數(shù)也相應(yīng)增加，并且在多個凋整因子的選擇過程中帶有一定的主觀性，缺乏有效的指導(dǎo)方法。為了適應(yīng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，模擬人工控制中的學(xué)習(xí)過程，可以采用如式（3）所示的帶智能權(quán)函數(shù)的模糊控制規(guī)則l。 這種控制規(guī)則按誤差、誤差變化的大小自動調(diào)整其權(quán)重，且調(diào)整因子僅是輸入變量的函數(shù)。這種自動調(diào)整由于是在整個論域中進(jìn)行的．所以更符合人在控制決策過程中的思維，已具有高智能的優(yōu)化特點(diǎn)，非常易于適時地實(shí)現(xiàn)其控制思想。機(jī)械手夾持力的模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，模糊控制器的輸人為機(jī)械手此時的夾持力與給定值的誤差DE誤差變化 ．輸出為要消除誤差而施加的夾持力的增量。在模糊控制器中，誤差、誤差變化、控制量所取的模糊子集的論域分別為 E= ｛一5， 一4， 一3， 一2， 一1，0 用｛負(fù)很大，負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)很小，零｝來描述。 DE= ｛0，1，2，3．4，5｝ 用｛零，很小，小，中，大，很大｝來描述。 U = ｛O， 1， 2， 3，4，5｝ 用｛零，很小，小，中，大，很大；來描述。 對由式（3）求得的模糊控制量U進(jìn)行精確化計算，即可求出應(yīng)對電液位置伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令的值 從而對夾持力的大小進(jìn)行控制。圖7所示為采用模糊控制方法對剛體施加20N夾持力時的握力傳感器輸出信號S隨采樣點(diǎn)數(shù)n的變化曲線。 5 結(jié)論 本文對機(jī)械手爪的機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行深入地理論研究，建立電液位置伺服系統(tǒng)，設(shè)計了一種握力傳感器并對其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和標(biāo)定，在上述成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)成了基于電液位置伺服系統(tǒng)的機(jī)械手夾持力控制系統(tǒng)；采用帶有智能權(quán)函數(shù)的自適應(yīng)模糊制規(guī)則進(jìn)行夾持力控制，實(shí)驗(yàn)證明，使用這種控制方法系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、控制精度高、能夠滿足機(jī)械手爪抓取作業(yè)時對夾持力控制的要求。 參考文獻(xiàn) 【1】李福義·液壓技術(shù)與液壓伺服系統(tǒng)[M]·哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。1992 【2】單成祥·傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]·北京：國防出版社．1999 【3】李士勇·模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M]-哈爾濱工業(yè)太學(xué)出版社．1996 點(diǎn)擊此處下載原文