第４章机器人控制研究及仿真分析图４．５ＰＩＤ控制器程序下肢外骨骼助力机器人是带动使用者下肢协调运动，对于轨迹控制要求相对不高，但是要求有较高稳定性，因此，在系统无超调的情况下，期望使系统具有较高的响应速度为控制参数优化的要求。给膝关节电机一个阶跃响应信号，调整ＰＩ参数，速度环Ｋｐ＝２１．００，Ｋｉ＝１．４５时，速度环阶跃响应如图４．６所示。此时响应时间为０．００５ｓ，几乎没有超调。图４．６速度环阶跃响应当位置环控制参数Ｋｐ＝１．１４，Ｋｉ＝３．６８时，位置环阶跃响应如图４．７所示，此时响应时间约为０．１ｓ，几乎没有超调。通过对阶跃信号响应的控制信号调节，得到了较为合理的控制参数，为后续的仿真分析做好了准备。４３ｉ；ｉ；；置ｉ；ｉｉｉｉｉ；ｊｉｉｉ；；；；宣ｉｉｉｉ；ｉｉｉｉ暑；；；ｉｉｉｉ；；；罱ｉ；；；；；ｉｉ；ｉ；；；ｉ置；ｉ；；；ｉ裔ｉｉｉ；；；ｉｉｉｉｉ；；暑ｉ哈尔滨工程大学硕士学位论文图４．７位置环阶跃响应根据调好的控制器参数，进行膝关节步态轨迹跟踪仿真，得到结果如图４．８所示。可见跟踪性能很好，符合设计要求。图４．８膝关节步态轨迹跟踪仿真曲线４．４机器人阻抗控制４．４．１阻抗控制原理是Ｈｏｇａｎ在１９８５提出的一种新的控制算法一阻抗控制算法【５４１。它的特点是根据机器人末端的位置、速度和加速度与其和环境之间的互作用力的关系，通过调整反馈位置误差、速度误差或者刚度来达到对力的控制的目的，而不是直接控制机器人与环境之间的作厍力。现在这种控制算法越来越多的应用于工业机器人的控制中，由于接触过程中机器入末端弹性变形对控制系统影响很大，因此也可以狭义地称其为柔顺控制。４４第４章机器人控制研究及仿真分析阻抗控制方法的原理是用目标阻抗来代替实际的机器人动力学模型，当机器人存在偏差Ｅ＝局一ｘ时（式中蜀为理想位置轨迹，ｘ为机器人末端实际位置轨迹），机器人在其末端产生相应的阻抗力Ｆ。阻抗控制中，阻抗可以为任意函数形式，常用的目标阻抗一般为二阶系统形式，其原理图如图４．９所示。Ｚ＝心｛Ｂｓ｝ｋ图４．９阻抗控制原理图机器人末端与人接触时，目标阻抗可等效为质量一弹簧一阻尼系统，其表达式为：Ｆ＝Ｍ（ａｏ一＆）＋Ｂ（ａｏ一＆）＋Ｋ（ａｏ一＆）（４－２１）式中：Ｍ一目标阻抗惯性阵，反应系统响应的平滑性；Ｂ一目标阻抗阻尼阵，反应系统消耗的能量；Ｋ一目标阻抗刚度阵，反应人机之间接触刚度；ａ。，吱。，度。一分别为期望的位置、速度和加速度；ａ，应，＆一分别为实际的位置、速度和加速度。因此（４．２１）可表达为：Ｆ：朋雹＋ＢＥ＋ＫＥ（４．２２）根据下肢外骨骼助力机器人系统特点建立阻抗控制仿真模型如图４．１０所示。ｉｒ傩始ｄ暑ｎｏ｝图４．１０阻抗控制仿真模型４５ｉ；；；；ｉｉ哈尔滨工程大学硕士学位论文ｉ；；；；ｉｉｉ；；；；；；ｉｉｉｉｉ；宣；；ｉｉｉｉｉ；；；；ｉｉｉｉ；；；；ｉ；ｉｉｉｉ；；；；ｉｉｉ；；；；；ｉｉｉｉ；；；ｉｉｉｉｉ；；；ｉｉ置ｉ罱４．４．２阻抗控制仿真分析阻抗控制仿真时间设定为３０ｓ，给定信号程序如图４．１１所示。曲线如图４．１２所示。为了能够清晰对比加阻抗控制器前后对系统的影响，ｌ～１０ｓ设置给定信号为０，１０～２０ｓ设置给定信号为正弦波信号，幅值Ａ＝５ｍｍ，２０～３０ｓ设置信号为０。ＩｆＡｄｉｏｎＳｕ如ｙ船ｍ１图４．１１信号给定程序图４．１２给定信号波形设置阻抗控制器参数Ｍ＝０，Ｂ＝０．２，Ｋ＝０．６，仿真曲线如图４．１３所示。仿真结果表明，１～１０ｓ阻抗为０时，轨迹跟踪很好；１０～２０ｓ加入阻抗控制器之后，轨迹跟踪出现偏差，并且由于信号方向的改变，轨迹扰动改变方向也随之改变；２０～３０ｓ去掉阻抗控制器时，轨迹重新跟踪很好。４６——一；ｉ；；ｉ；ｉ；；ｉｉｉ宣ｉｉｉｉ裔ｉ宣ｉ裔ｉｉｉｉ葛ｉｉｉ音音ｉ三苫苫；兰苫宣ｉ高；；ｉ；；；；ｉ；ｉ；ｉ第４章机器人控制研究及仿真分析图４．１３Ｂ－－Ｏ．２，Ｋ－－－Ｏ．６阻抗控制轨迹跟踪改变阻抗控制器参数，设置Ｂ＝Ｏ．７，Ｋ＝１．２，仿真曲线如图４．１４所示。设置Ｂ－１．５，Ｋ－－３，仿真曲线如图４．１５所示。图４．１４Ｂ＝０．７，Ｋ＝１．２阻抗控制轨迹跟踪图４．１５Ｂ＝１．５，Ｋ＝３阻抗控制轨迹跟踪仿真结臬显示，目标阻抗能够将位置控制和力控制『很好的结合在一起，当目标阻抗４７取值越小，机器人末端位置轨迹与目标阻抗成反比例变化趋势，即，目标阻抗取值越小，
下肢外骨骼助力机器人系统研究 - 图文
