轮式移动机械手的控制

摘要: 首先介绍了自行设计和开发的一种轮式移动机械手系统的硬件体系结构，然后提出移动平台和机械手
的协调控制问题，考虑了机器人系统中的模型误差和外部干扰不确定因素，设计出鲁棒轨迹跟踪控制器。
关键词: 轮式移动机械手；非完整约束；直流伺服电机；鲁棒控制
Abstract: The hardware architecture of an mobile manipulator designed and developed in our lab
is presented, then the coordinating control problem of mobile platform and manipulator is
proposed and robust tracking controller is designed after thinking of model error and
disturbance uncertainty in robot system.
Keywords: Wheeled Mobile Manipulator; Nonholonomic Constraint; DC Servomotor; Robust Control
0 引言
移动机械手系统是一种非常通用的机器人系统，
由于将机械手安装在轮式移动平台上，因而比单个
移动机器人系统或机械手系统具有更大的操作空间
和更高的灵活性，且应用范围也比单个系统宽的多，
比如在制造业、较危险的核反应堆建造和维护以及
星际探测等。但由于移动机械手系统比单个系统更
为复杂，因而给控制和规划带来了更大的困难，并
且这类系统还受非完整约束，所以其控制问题便成
为研究的热点和难点。本文针对不确定性移动机械
手的控制问题，提出一种鲁棒轨迹跟踪控制方法。
1 轮式移动机械手
如图一所示，轮式移动机械手的移动平台是能
力风暴机器人，其底部安装着4 个轮子，前后轮为
导向轮，左右轮为驱动轮。平台上的机械手具有2 个
自由度，机械手的组成部分为：底座、手肘和手爪，
手爪活动范围上下70mm，前后18mm，手爪张缩范围：
20～46mm，各关节由伺服电机驱动，手肘旋转由NO.
1 电机驱动，手爪夹持物体由NO.2 电机驱动，将机
械手安装在移动机器人上,实现从一个位置到另一个
位置的空间传输。
图一移动机械手结构简图
2 控制系统设计
2.1 硬件组成
整个系统由上位机PC 计算机、轮式移动机器人、
AS-servo6 电机驱动卡和机械手组成。系统中采用
轮式移动机器人作为移动平台，它是一个直径为
30cm，高13cm 的圆形，下部装有圆形碰撞环，采用
M68HC11 作为微处理器，扩展了32K 的静态RAM，辅
助以驱动、通讯、复位等外围电路，配有一定数量
的传感器，包括2 支红外发射管和1 支红外接受管，
4 支碰撞传感器等，具有一定的感知周围环境的能
力，是典型的自主移动机器人。轮式移动机器人通
过RS-232 接口和上位机相接，采用MAX232 串口驱
动芯片，接受来自上位机的命令，再把命令传输给
轮式移动机械手的控制
98
科技广场2005.12
控制电路，用以控制机械手的运动，此驱动卡可以
同时驱动六路伺服电机，如图二所示。在控制板上
设计扩展总线ASBUS，将驱动卡插到扩展槽上，利
用A S B U S 的并行口扩展功能，采用地址锁存芯片
74HC373 和74HC138 译码器，用OSO 线进行片选，本
卡使用68HC11 单片机的PA3 信号。
图二AS-servo6 伺服电机驱动卡电路图
2.2 控制器设计
移动平台和机械手的组合首先要求有效的协调
移动和操作，由于轮子和地面之间的纯滚动引入的
非完整约束使平台的移动方向受到限制，并且移动
机械手是十分复杂的非线性系统，难以得到精确的
动力学模型，在实际操作中要受到诸如摩擦力、外
界扰动等许多不确定因素的影响。
基于拉格朗日运动学建立移动机械手动态模型，
该系统的运动可由如下方程描述：
(1)
(2)
(3)
则上式化成如下形式：
(4)
(5)
其中，q1 是移动基座的广义坐标，q 是整个系统
的广义坐标;τ1、τ2 分别是基座和机械手的控制输
入；M 为惯性矩阵；C 为离心力和哥氏力矩阵；G 为
重力矩阵；B 是基座动力学方程的控制输入阵；J(q)
为约束矩阵、λ是对应于约束的Lagrange 乘子。移
动机械手的轨迹跟踪控制问题要求设计反馈控制器，
使得移动机械手的运动渐进地趋于期望轨迹，即
考虑模型误差和外部干扰的机器人动态模型为：
(6)
定义跟踪误差为，令，
则系统的误差动态方程为：
（7）
其中d 表示外界干扰信号，Λ(q,q)表示模型误差；
u 为控制器的输出。则机器人的鲁棒跟踪控制问题
可以描述为设计反馈控制器
（8）
设存在正定函数，使得对于任意下
式成立：
（9）
令反馈控制器为
（10）
其中， ，
β>0， ， ，
均为给定常数。
对任意初始误差e(0)，e(t)是一致终值有界的，
即该系统是稳定的。
3 结束语
本文通过轮式移动机械手控制系统的研究，提
出一种鲁棒轨迹跟踪控制系统,它能够很好地克服模
型误差、外部干扰等不确定的影响，具有较好的动、
静态性能和很强的鲁棒稳定性，对以后研究这类系
统的控制问题具有十分重要的意义。
参考文献
[1]蔡自兴. 机器人学[M]. 北京:清华大学出
版社,2000.
[2]申铁龙. 机器人鲁棒控制基础[M]. 北京:
清华大学出版社,2000.
[3]Dong Wenjie .Tracking control of uncertain
dynamic nonholonomic system and is
application to wheeled mobile robots[J].IEEE
Trans.on Robotics and Automation,2000,16(6).

有图没   急求一个简单的手爪三维图

没有图纸。。。

谢谢，下载了好东东