Адаптивна поведінка електромеханічного маніпулятора при фізичній взаємодії з людиною

Анотація

Метою даної роботи є розгляд адаптації поведінки електромеханічного маніпулятора рука при фізичній взаємодії з людиною. Попередні експерименти з вивчення можливості адаптивної взаємодії між рукою робота і людиною без знання досліджуваних сил. Простой і ефективний контроль адаптації системи реалізований на рівні електричного приводу.

Вступ

В даний час, робототехнічні установки мають високий рівень розв'язання технічних завдань, закладених промисловими обмеженнями, внаслідок крупних проривыв в області теорії управління та комп'ютерних систем. У гуманоїдній робототехніці подальший прогрес залежить від успіху у вирішенні більш фундаментальних проблем, таких як відтворення здібності навчання та когнітивних механізмів людської істоти, коли роботи взаємодіють з людьми, фізично або соціально. Зокрема, контроль над фізичними взаємодіями між людьми і роботами є основною проблемою для людиноподібних роботів.

У промисловості є цілий ряд завдань, для яких робот-маніпулятор взаємодіє з зовнішньою силою. Крутний момент породженої зовнішньої сили можна розглядати як порушення. Контролер робота, як правило, компенсує дію цього порушення при використанні контролером різних методів. Специфіка фізичної взаємодії між людиною і роботом походить з великих змін у взаємодії параметрів: амплітуди, швидкості і витривалості застосованих сил з боку людини. Ці параметри невідомі і не завжди можуть бути виміряні.

В області адаптивного управління маніпулятором при взаємодії багато попередніх робот було розроблено. Управління маніпулятором часто грунтується на розташуванні, швидкості і вимірюванні крутного моменту. Інші підходи, такі як множинний поліном PD-типу контролерів, адаптивне ітераційне навчання управління і нелінійне змішане управління, гібридні сила/швидкість контролю промислових роботів також були запропоновані для керування рукою робота. Опір управління і дотримання контролю були зпропоновані для реалізації гнучких рухів рук робота і застосовані для промислових роботів. Ці методи контролю припускають моделювання динамічних характеристик між кінцевого ефектора і його оточення.

Датчики гнучкого управління були запропоновані для створення гнучких рухів промислового робота. Цей метод дозволяє перехід від класичного закону управління визначеного відповідним змішаним силі/рухам контролера, що дозволяє підтримувати контакт при виявленні конфлікту, в час ковзання при перешкоді, і регулює силу взаємодії. Інші автори запропонували підхід вільної сили управління. Цей метод може створити керування рухом в ідеальних умовах. Маніпулятор може бути переміщений зовнішньою силою при неприродних умовах, якщо б не було сили тяжіння і сил тертя.

Всі ці підходи були розроблені спеціально для промислового використання, для яких навколишнє середовище є частково відомим, для яких людина, яка взаємодіє з роботом є професійним працівником з каліброваною поведінкою. У випадку взаємодії людини з людиноподібними роботами, людина може бути хто завгодно, і її поведінка може змінитися в будь-який час. Потім контролер повинен адаптуватися до змін при фізичній взаємодії з людиною.

У даній роботі попередні експерименти для вивчення можливісті адаптивної взаємодії маніпулятора і людини без знання сили взаємодії досліджені. Контроль адаптації системи реалізований на рівні електричного приводу. Після цього вступу, друга частина цієї статті описує фізичні проблеми взаємодії людини і руки робота, що використовуються в експериментах. Проблема вивчення має два напрямки: симулювання та моделювання. У третьому розділі представлені експерименти з алгоритма адаптації супроводжуючої невідомої зовнішньої сили для одного ступеня свободи робота. В розділі чотири наведені коротке резюме і висновок.

Фізичні проблеми взаємодії між людиною і рукою робота

Короткий опис та властивості маніпулятора

Дослідження проводилося на маніпуляторі Katana типу 6M180 (компанія "Neuronics) Рис.1. Кожна вісь цього робота-маніпулятора окремо контролюється. Цей підхід управління кількома спільними маніпуляторами може бути загально названий незалежним спільнним управлінням (тобто децентралізоване управління). Це означає, що керуючий вхід кожного зчленування залежить тільки від вимірювання відповідного спільного переміщення і швидкості.

Система контролю включає в себе каскад пропорційного інтегралу (PI), регулятор швидкості і пропорційне (P) положення контролера. Вони реалізуються в тій чи іншій прошивці. Внутрішній цикл веде назад фактичну швидкість, порівнює її з необхідною швидкістю і закриває цикл з PI контролером. Зовнішній цикл складається з зворотної позиції і P контролера. Кожна вісь приводиться в рух за допомогою DC моторедуктора.

У роботі Katana струм, споживаний двигуном, не може бути виміряний на осі. Але можна прочитати поточний пульс з значенням модуляції (PWМ), що пов'язана з кількістю часу, коли двигун знаходиться під напругою.

Математична модель

Динаміка Лагранжа забезпечує зручний опис динамічної моделі жорстких маніпуляторів робота. Робот-маніпулятор має n зв'язків і (n × 1) вектор q змінних зчленувань

Потім динамічна модель робота-маніпулятора буде описуватися рівнянням Лагранжа :

де H(q) є (n × n) - матриця інерції, є вектор (n × 1) Коріоліса і відцентрових сил, τg(q) – вектор (n × 1) сили тяжіння, τ (n × 1) - вектор з'єднання управління розроблених входів.

Внутрішнє тертя і порушення входів може бути враховане у цій моделі. Справді, неконсервотивні сили виконують роботу на зчленуваннях маніпулятора. Вони задаються приведенням моментів мінус в'язке тертя моментів, які означають (n × n) діагональну матрицю в'язкого тертя з коефіцієнтами, а також статичні моменти тертя.

Якщо кінцевий ефектор маніпулятора контактує з навколишнім середовищем, частина крутного моменту спрацьовування використовується для балансу виникаючих моментів у зчленуваннях силових контактів. Крутні моменти даються J(q)h, де h – вектор сили і момент з боку кінця навколишнього середовища.

Таким чином, рівняння руху можна записати в компактному вигляді - матриці, яка представляє собою динамічну модель:

Простий метод створення для маніпулятора контролю полягає у використанні лінійної схеми управління на основі лінеаризації системи в робочій точці. Прикладом використання цього методу є PD керування без схеми компенсації гравітації.

Де Kp і Kv є R (n × n) - позитивно певні результати матриць. Цей контролер часто використовується для регулювання, qd = const [15]. Коли контроллер застосовується до (1) замкнуте рівняння стає: