摘要： 水下作業(yè)系統(tǒng)太多采用液壓驅(qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一種握力傳感器井對(duì)其性能進(jìn)行研究，建立了控制機(jī)械手爪的電液位置伺服系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)成了基于電液位置伺服系統(tǒng)的機(jī)械手夾持力控制系統(tǒng)，采用帶有可自動(dòng)調(diào)整的智能權(quán)函數(shù)的摸期控制器來(lái)控制機(jī)械手夾持力，井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證明，使用這種控制方法系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、控制精度高、能夠滿足機(jī)械手爪抓取作業(yè)時(shí)對(duì)夾持力控制的要求。 關(guān)鍵詞： 握力傳感器；電液伺服系統(tǒng)；摸期控制：機(jī)械手 引 言 機(jī)械手爪是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈巧操作的重要部分，它的靈巧抓握操作是體現(xiàn)機(jī)器人智能化程度的一個(gè)重要標(biāo)志。電液伺服系統(tǒng)易受系統(tǒng)壓力、油溫等變化的影響，系統(tǒng)參數(shù)易變，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，對(duì)于采用電液伺服控制的水下作業(yè)機(jī)械手來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行有效、寬范圍、精確的夾持力的控制問(wèn)題一直未得到很好的解決。因此，對(duì)于液壓機(jī)械手夾持力控制技術(shù)進(jìn)行深人地研究，對(duì)于提高機(jī)械手的作業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)其作業(yè)的智能化，有著重要的理論意義和實(shí)際工程意義。 1 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)及工作原理 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)為典型的連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。滑塊的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪平行兩指的張開(kāi)與合攏。機(jī)械手爪可簡(jiǎn)化為如圖2所示的連桿機(jī)構(gòu)，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(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿BD帶動(dòng)ABC實(shí)現(xiàn)手爪的張開(kāi)與合攏，D的最大行程為15mn；C為手指基體上一點(diǎn)，由于手指是平行移動(dòng)的，即c點(diǎn)只能沿x方向運(yùn)動(dòng)，則c點(diǎn)的位移即為手指張開(kāi)、合攏時(shí) 進(jìn)給的尺寸。圖2中D點(diǎn)的位置為初始位置，即手爪合攏時(shí)滑塊的位置，令A(yù)C繞A轉(zhuǎn)角為θ，逆時(shí)針為正，在圖2中所示位置θ=0°，當(dāng)滑塊在初始位置，即Y=0時(shí)，轉(zhuǎn)角θ=0°，此時(shí)手爪合攏；當(dāng)滑塊在極限位置，即Y=15mn時(shí)，θ=42.5°。此時(shí)手爪張開(kāi)最大。手指位移x與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為： 則手指位移最大值為40．5mm，即手爪張開(kāi)最大距離為81mn。 2 電液位置伺服系統(tǒng) 電液位置伺服系統(tǒng)由液壓動(dòng)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(tǒng)中，電液伺服閥采用型號(hào)為CSDY15的射流管伺服閥，液壓源調(diào)定工作壓力為10MPa，油缸采用非對(duì)稱(chēng)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(shí)手爪張開(kāi)，活塞回收時(shí)手爪閉合，角位移傳感器采用精密電位計(jì)，控制器為用模擬電路實(shí)現(xiàn)的超前一滯后控制器。 3 握力傳感器 握力傳感器為垂鏈?zhǔn)侥てY(jié)構(gòu)，膜片的變形區(qū)貼有應(yīng)變片以檢測(cè)夾持力的大小，四個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成全電橋以提高傳感器的線性度和靈敏度，相互補(bǔ)償由于溫度等因素引起的誤差和漂移。握力傳感器有兩個(gè)作用：一是檢測(cè)機(jī)械手抓握物體時(shí)作用在物體上的垂直作 用力的大小；二是依靠其變形區(qū)的形變產(chǎn)生易于控制的對(duì)物體的作用力，即對(duì)抓取圖4握力傳感器的譬出信號(hào)對(duì)象物的夾持力是由握力傳感器依靠其變形區(qū)的形變產(chǎn)生的。握力傳感器安裝在手指表面直接與抓取對(duì)象物接觸，為提高與抓取對(duì)象物間的摩擦系數(shù)、增大手指的柔順性、減小抓握物體時(shí)對(duì)物體的沖擊力，在握力傳感器與對(duì)象物接觸的表面上貼有一層橡膠。對(duì)握力傳感器進(jìn)行力加載試驗(yàn)傳感器的輸出信號(hào)s與作用力F的關(guān)系如圖4所示，通過(guò)試驗(yàn)可知，這種傳感器線性度好、回程誤差小、精度高，能夠滿足機(jī)械手抓取作業(yè)時(shí)對(duì)夾持力測(cè)量的需要，s與F的關(guān)系為 讓手爪抓握剮性物體，從接觸開(kāi)始每次讓手爪進(jìn)給相同的位移，得手爪進(jìn)給位移d 與握力傳感器輸出信號(hào)S的關(guān)系曲線如圖5所示。由于握力傳感器輸出信號(hào)s與作用力，之間為線性關(guān)系，因此由圖5可以看出，手爪位移與力的關(guān)系是非線性的，可分為三個(gè)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(shuō)明每次進(jìn)給握力傳感器的變形區(qū)變形很小，這是由于傳感器表面的橡膠承擔(dān)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(qū)來(lái)承擔(dān)；在階段（3）曲線斜率又有所增加，這時(shí)橡膠已不再發(fā)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(qū)來(lái)承擔(dān)。對(duì)圖5所示曲線進(jìn)行分段擬合得： 4 機(jī)械手夾持力的模糊控制技術(shù) 模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制技術(shù)。由模糊邏輯推理法，對(duì)于n條模糊控制規(guī)則可以得到rt個(gè)輸入輸出關(guān)系矩陣R ，R[sub]2[/sub]，...... ，R[sub]n[/sub] ，從而由模糊規(guī)則的合成算法可得系統(tǒng)總的模糊關(guān)系矩陣為 對(duì)于任意系統(tǒng)誤差E和誤差變化DE，，其對(duì)應(yīng)的模糊控制器輸出U為: 對(duì)由式（1）得到的模糊控制量U進(jìn)行精確化計(jì)算就可以直接控制系統(tǒng)對(duì)象了，然而在實(shí)際應(yīng)用中．由于模糊關(guān)系矩陣R是一個(gè)高階矩陣．如果對(duì)任意瞬間的系統(tǒng)誤差E和誤差變化DE都用式（1）合成計(jì)算出即時(shí)控制輸出U，就會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，使系統(tǒng)適時(shí)控制性能變差。因此常規(guī)模糊控制器在實(shí)際應(yīng)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(guī)則就固定不變，對(duì)于不同的被控對(duì)象，簡(jiǎn)單的模糊控制器采用不變的控制規(guī)則不能獲得預(yù)期的控制效果。尤其對(duì)于那些時(shí)變的、非線性的、復(fù)雜的系統(tǒng)采用模糊控制時(shí)．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(guī)則，這些控制規(guī)則是操作者對(duì)受控過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。由于被控過(guò)程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則粗糙或不夠完善，都會(huì)不同程度地影響控制效果。為了彌補(bǔ)其不足，使控制規(guī)則在控制過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整和完善，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，這樣就出現(xiàn)了控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器式（2）是一種帶有一個(gè)調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則。 當(dāng)n較大時(shí)。表明對(duì) 重視程度高，因此響應(yīng)快、超調(diào)大、振蕩幅度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；當(dāng)（1一n）較大時(shí)，表明對(duì)DE重視程度高，因此響應(yīng)慢、超調(diào)小。所以采用帶有自調(diào)整因子的模糊控制器時(shí)，在適當(dāng)確定誤差及誤差變化的論域的基礎(chǔ)上，再通過(guò)調(diào)整調(diào)整因子可以獲得較好的控制效果。采用帶調(diào)整因子的模糊控制器不僅可以使控制表設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且可以避免在極大極小合成法設(shè)計(jì)中由于信息丟失過(guò)多等原因造成的控制表錯(cuò)誤，同時(shí)調(diào)整因子具有明確的物理意義，可模擬人在實(shí)際控制時(shí)對(duì)誤差、誤差變化權(quán)衡的結(jié)果，針對(duì)不同控制對(duì)象采用不同的調(diào)整因子。有經(jīng)驗(yàn)的操作者總是根據(jù)當(dāng)前的誤差及誤差變化適當(dāng)?shù)卣{(diào)整控制策略，比如，在誤差比較大時(shí)，主要矛盾是消除誤差，因此誤差要有較大的權(quán)因子。而當(dāng)誤差較小時(shí)，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩，使系統(tǒng)具有較好的快速性和平穩(wěn)性，應(yīng)該加大對(duì)誤差變化的權(quán)因子。然而，帶多個(gè)調(diào)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(jí)的增加，調(diào)整因子數(shù)也相應(yīng)增加，并且在多個(gè)凋整因子的選擇過(guò)程中帶有一定的主觀性，缺乏有效的指導(dǎo)方法。為了適應(yīng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，模擬人工控制中的學(xué)習(xí)過(guò)程，可以采用如式（3）所示的帶智能權(quán)函數(shù)的模糊控制規(guī)則l。 這種控制規(guī)則按誤差、誤差變化的大小自動(dòng)調(diào)整其權(quán)重，且調(diào)整因子僅是輸入變量的函數(shù)。這種自動(dòng)調(diào)整由于是在整個(gè)論域中進(jìn)行的．所以更符合人在控制決策過(guò)程中的思維，已具有高智能的優(yōu)化特點(diǎn)，非常易于適時(shí)地實(shí)現(xiàn)其控制思想。機(jī)械手夾持力的模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，模糊控制器的輸人為機(jī)械手此時(shí)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(fù)很大，負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)很小，零｝來(lái)描述。 DE= ｛0，1，2，3．4，5｝ 用｛零，很小，小，中，大，很大｝來(lái)描述。 U = ｛O， 1， 2， 3，4，5｝ 用｛零，很小，小，中，大，很大；來(lái)描述。 對(duì)由式（3）求得的模糊控制量U進(jìn)行精確化計(jì)算，即可求出應(yīng)對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令的值 從而對(duì)夾持力的大小進(jìn)行控制。圖7所示為采用模糊控制方法對(duì)剛體施加20N夾持力時(shí)的握力傳感器輸出信號(hào)S隨采樣點(diǎn)數(shù)n的變化曲線。 5 結(jié)論 本文對(duì)機(jī)械手爪的機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入地理論研究，建立電液位置伺服系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種握力傳感器并對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和標(biāo)定，在上述成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)成了基于電液位置伺服系統(tǒng)的機(jī)械手夾持力控制系統(tǒng)；采用帶有智能權(quán)函數(shù)的自適應(yīng)模糊制規(guī)則進(jìn)行夾持力控制，實(shí)驗(yàn)證明，使用這種控制方法系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、控制精度高、能夠滿足機(jī)械手爪抓取作業(yè)時(shí)對(duì)夾持力控制的要求。 參考文獻(xiàn) 【1】李福義·液壓技術(shù)與液壓伺服系統(tǒng)[M]·哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。1992 【2】單成祥·傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]·北京：國(guó)防出版社．1999 【3】李士勇·模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M]-哈爾濱工業(yè)太學(xué)出版社．1996 點(diǎn)擊此處下載原文