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水下作業(yè)液壓機(jī)械手夾持力模糊控制技術(shù)的研究

時(shí)間:2008-04-07 14:54:00來(lái)源:zhangting

導(dǎo)語(yǔ):?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)。
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:
X=AC*sinθ=60sinθ
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
S =0.075F+0.08
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

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