摘要： 水下作業系統太多采用液壓驅動。本文設計了一種握力傳感器井對其性能進行研究，建立了控制機械手爪的電液位置伺服系統，在此基礎上，構成了基于電液位置伺服系統的機械手夾持力控制系統，采用帶有可自動調整的智能權函數的摸期控制器來控制機械手夾持力，井進行了實驗研究。實驗證明，使用這種控制方法系統響應快、超調小、控制精度高、能夠滿足機械手爪抓取作業時對夾持力控制的要求。 關鍵詞： 握力傳感器；電液伺服系統；摸期控制：機械手 引 言 機械手爪是機器人實現靈巧操作的重要部分，它的靈巧抓握操作是體現機器人智能化程度的一個重要標志。電液伺服系統易受系統壓力、油溫等變化的影響，系統參數易變，很難實現精確控制，對于采用電液伺服控制的水下作業機械手來說，對其進行有效、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，對于液壓機械手夾持力控制技術進行深人地研究，對于提高機械手的作業水平，實現其作業的智能化，有著重要的理論意義和實際工程意義。 1 機械手爪的結構及工作原理 機械手爪的結構為典型的連桿機構，如圖1所示。滑塊的直線運動驅動手爪平行兩指的張開與合攏。機械手爪可簡化為如圖2所示的連桿機構，ABC為一整 體，其中AB=34mn，BC=34mm，AC=60mn；D為滑塊，沿Y方向做直線運動，通過連桿BD帶動ABC實現手爪的張開與合攏，D的最大行程為15mn；C為手指基體上一點，由于手指是平行移動的，即c點只能沿x方向運動，則c點的位移即為手指張開、合攏時 進給的尺寸。圖2中D點的位置為初始位置，即手爪合攏時滑塊的位置，令AC繞A轉角為θ，逆時針為正，在圖2中所示位置θ=0°，當滑塊在初始位置，即Y=0時，轉角θ=0°，此時手爪合攏；當滑塊在極限位置，即Y=15mn時，θ=42.5°。此時手爪張開最大。手指位移x與轉角θ的關系為： 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 電液位置伺服系統由液壓動力源、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。電液位置伺服系統中，電液伺服閥采用型號為CSDY15的射流管伺服閥，液壓源調定工作壓力為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現的超前一滯后控制器。 3 握力傳感器 握力傳感器為垂鏈式膜片結構，膜片的變形區貼有應變片以檢測夾持力的大小，四個應變片構成全電橋以提高傳感器的線性度和靈敏度，相互補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；二是依靠其變形區的形變產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的形變產生的。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、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。對握力傳感器進行力加載試驗傳感器的輸出信號s與作用力F的關系如圖4所示，通過試驗可知，這種傳感器線性度好、回程誤差小、精度高，能夠滿足機械手抓取作業時對夾持力測量的需要，s與F的關系為 讓手爪抓握剮性物體，從接觸開始每次讓手爪進給相同的位移，得手爪進給位移d 與握力傳感器輸出信號S的關系曲線如圖5所示。由于握力傳感器輸出信號s與作用力，之間為線性關系，因此由圖5可以看出，手爪位移與力的關系是非線性的，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，說明每次進給握力傳感器的變形區變形很小，這是由于傳感器表面的橡膠承擔了大部分變形；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來承擔；在階段（3）曲線斜率又有所增加，這時橡膠已不再發生形變，手爪位移引起的傳感器的變形全部由傳感器的變形區來承擔。對圖5所示曲線進行分段擬合得： 4 機械手夾持力的模糊控制技術 模糊控制技術是以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環結構的數字控制技術。由模糊邏輯推理法，對于n條模糊控制規則可以得到rt個輸入輸出關系矩陣R ，R[sub]2[/sub]，...... ，R[sub]n[/sub] ，從而由模糊規則的合成算法可得系統總的模糊關系矩陣為 對于任意系統誤差E和誤差變化DE，，其對應的模糊控制器輸出U為: 對由式（1）得到的模糊控制量U進行精確化計算就可以直接控制系統對象了，然而在實際應用中．由于模糊關系矩陣R是一個高階矩陣．如果對任意瞬間的系統誤差E和誤差變化DE都用式（1）合成計算出即時控制輸出U，就會花費大量時間，使系統適時控制性能變差。因此常規模糊控制器在實際應用中常采用查表法，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則不能獲得預期的控制效果。尤其對于那些時變的、非線性的、復雜的系統采用模糊控制時．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則，這些控制規則是操作者對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經驗的總結。由于被控過程的非線性、高階次、時變性以及隨機干擾等因素的影響，造成模糊控制規則粗糙或不夠完善，都會不同程度地影響控制效果。為了彌補其不足，使控制規則在控制過程中自動調整和完善，從而使系統的控制性能不斷完善，這樣就出現了控制規則可調整的模糊控制器式（2）是一種帶有一個調整因子的模糊控制規則。 當n較大時。表明對 重視程度高，因此響應快、超調大、振蕩幅度大、調節時間長；當（1一n）較大時，表明對DE重視程度高，因此響應慢、超調小。所以采用帶有自調整因子的模糊控制器時，在適當確定誤差及誤差變化的論域的基礎上，再通過調整調整因子可以獲得較好的控制效果。采用帶調整因子的模糊控制器不僅可以使控制表設計簡單，而且可以避免在極大極小合成法設計中由于信息丟失過多等原因造成的控制表錯誤，同時調整因子具有明確的物理意義，可模擬人在實際控制時對誤差、誤差變化權衡的結果，針對不同控制對象采用不同的調整因子。有經驗的操作者總是根據當前的誤差及誤差變化適當地調整控制策略，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因子。而當誤差較小時，為了減小系統的超調和振蕩，使系統具有較好的快速性和平穩性，應該加大對誤差變化的權因子。然而，帶多個調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，調整因子數也相應增加，并且在多個凋整因子的選擇過程中帶有一定的主觀性，缺乏有效的指導方法。為了適應被控對象的結構和參數變化，模擬人工控制中的學習過程，可以采用如式（3）所示的帶智能權函數的模糊控制規則l。 這種控制規則按誤差、誤差變化的大小自動調整其權重，且調整因子僅是輸入變量的函數。這種自動調整由于是在整個論域中進行的．所以更符合人在控制決策過程中的思維，已具有高智能的優化特點，非常易于適時地實現其控制思想。機械手夾持力的模糊控制系統的結構如圖6所示，模糊控制器的輸人為機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｛負很大，負大，負中，負小，負很小，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進行精確化計算，即可求出應對電液位置伺服系統發出的指令的值 從而對夾持力的大小進行控制。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隨采樣點數n的變化曲線。 5 結論 本文對機械手爪的機構及其運動規律進行深入地理論研究，建立電液位置伺服系統，設計了一種握力傳感器并對其性能進行實驗研究和標定，在上述成果的基礎上，構成了基于電液位置伺服系統的機械手夾持力控制系統；采用帶有智能權函數的自適應模糊制規則進行夾持力控制，實驗證明，使用這種控制方法系統響應快、超調小、控制精度高、能夠滿足機械手爪抓取作業時對夾持力控制的要求。 參考文獻 【1】李福義·液壓技術與液壓伺服系統[M]·哈爾濱工業大學出版社。1992 【2】單成祥·傳感器的理論與設計基礎及其應用[M]·北京：國防出版社．1999 【3】李士勇·模糊控制、神經控制和智能控制論[M]-哈爾濱工業太學出版社．1996 點擊此處下載原文