[發明專利]一種提高采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制系統構造方法

有效

• 申請號: 201810628231.5
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN108983601B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 姬偉;錢志杰;許波;陳光宇;丁一
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;A01D46/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種提高采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制系統構造方法，通過構造參數自整定阻抗控制系統，包括外環為參數自整定阻抗控制器，內環為位置控制器，位置控制器為單神經元自適應PID控制器；同時，利用編碼器采集到的控制器輸出給末端執行器的位移變化量分析外環阻抗控制器參數變化對系統輸出的影響，并在此基礎上分別設計構造阻抗控制器慣性、剛度、阻尼系數關于輸入力誤差的非線性函數，實現阻抗控制器參數隨輸入力誤差的變化而自動改變。由于該參數自整定阻抗控制方法能夠在線自動調整控制參數，可以有效提高了機器人的控制性能和工作效率。

技術領域

本發明屬于采摘機器人控制領域，尤其涉及一種提高采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制系統構造方法。

背景技術

在果實采摘機器人研究過程中，作為直接與果實接觸的末端執行器的設計與控制一直都是其關鍵技術之一。果實的表皮較薄，易損壞，采用機器人采摘時，如果末端執行器手指施加的抓取力太小，會導致果實滑落；抓取力過大，會損壞果實的表皮，因此，需要末端執行器在抓取過程中具有良好的柔順性和穩定性，以實現果實的無損抓取控制。阻抗控制依據反饋的力，機械手末端的位移，速度和加速度或者通過調整目標阻抗參數來控制作用力，在抓取柔順控制研究中大量應用。現有末端執行器阻抗控制的研究中，存在兩個難點：1.阻抗控制系統的內環PID控制由于參數是定值，因此控制效果一般；2.阻抗控制器的系數是固定不變的，同樣對于系統擾動的魯棒性較差。所以發明一種提高蘋果采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制方法，對采摘機器人實現柔順抓取尤為重要。

發明內容

本發明根據現有技術的不足與缺陷，提出了一種提高采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制系統構造方法，目的在于解決現有采摘機器人末端執行器阻抗控制的不足，實驗結果不理想的缺陷。

本發明所采用的技術方案為一種提高采摘機器人柔順抓取性能的參數自整定阻抗控制系統構造方法，包括以下步驟：

構造參數自整定阻抗控制系統，包括外環為參數自整定阻抗控制器，內環為位置控制器；將抓取力F_e與設定的期望力F_r之差e作為參數自整定阻抗控制器的輸入，參數自整定阻抗控制器的輸出為位置偏移量x_f；將位置偏移量x_f與期望位置x_r之和x_d作為位置控制器輸入，位置控制器輸出位移變化量Δx，其中，e為力誤差；

構造參數自整定阻抗控制器的方法為：

步驟1，構造阻抗控制器為：

其中，和x分別代表機器人實際的加速度、速度和位移，和分別代表機器人期望的加速度和速度，m_d、b_d和k_d分別是慣性、阻尼和剛度參數，在此步驟中先取不同常數。

步驟2，改變慣性、阻尼、剛度參數值，分析通過位置編碼器采集的位移變化量Δx的輸出超調量、調節時間、響應速度與慣性、阻尼、剛度參數值的變化關系；初步分析可以發現：

1.剛度系數越大，系統輸出的超調量越小，響應速度及調節時間隨之增大；

2.阻尼系數越大，系統輸出的超調量越大，調節時間和響應速度基本不變，但過小的阻尼會導致輸出震蕩；

3.慣性系數越大，系統輸出的超調量、響應速度以及調節時間均減小，但慣性系數的增加極易使得系統輸出發散，產生震蕩。

從而構造慣性系數、阻尼系數和剛度系數與力誤差e的非線性函數；

慣性系數與力誤差e的非線性函數為：m_d(e(t))＝α_m+β_m(1-sech(c_me(t)))