非接觸阻抗控制

非接觸阻抗,就是當機械臂與目標尚未接觸時就調節機械臂的阻抗以避免過大的衝擊和穩定地操作目標。主要是將阻抗控制的理論與機器人視覺控制結合起來。關鍵技術為視覺伺服技術。不足之處在於視覺處理的實時性限制尚未充分考慮、接觸慣性特性研究不足、智慧型控制體系的研究。

基本介紹

• 中文名：非接觸阻抗控制
• 外文名：Noncontact impedance control
• 關鍵技術：視覺伺服技術
• 目標：避免過大的衝擊和穩定地操作目標
• 理論：阻抗控制的理論與機器人視覺控制
• 所屬學科：控制學科

簡介

機器人與運動物體接觸的過程包括非接觸、接觸過渡和接觸3個部分。對於機器人與高速運動目標接觸等存在較大衝擊的套用實例,進行有效的非接觸阻抗控制是實現機器人穩定、安全作業的必然要求。這方面的研究是實現機器人捕捉運動物體的關鍵技術,在工業、軍事和航天等領域均有重要意義。

所謂非接觸阻抗,就是當機械臂與目標尚未接觸時就調節機械臂的阻抗以避免過大的衝擊和穩定地操作目標。主要是將阻抗控制的理論與機器人視覺控制結合起來。

發展背景

Ami等針對多移動機器人，提出了虛擬阻抗的概念。他們在機器人之間，機器人與目標和障礙間定義了虛擬阻抗。利用虛擬阻抗產生虛擬力實現多機器人的協調控制。Nakabo在虛擬阻抗的基礎上提出了視覺阻抗的概念，即將視覺反饋信息與阻抗控制相結合，對機器人末端執行器的阻抗進行控制以完成特定的任務。他們首先提取出圖像特徵，簡歷一虛擬接觸面，將視覺信息以圖像雅各比矩陣的形式套用到阻抗控制公式中，計算與虛擬表面接觸時末端執行器應保持的理想阻抗。通過控制系統加以實現。

關鍵技術

視覺伺服技術是非接觸阻抗控制問題涉及的一項關鍵技術。視覺伺服,指採用閉環的方式,通過不斷地視覺反饋,來控制機器人的運動。這和早期視覺機器人採用開環的先“看”後“動”的方式有著極大的區別。近年來,視覺伺服技術取得了許多有意義的研究成果和套用實例。理想情況下,視覺伺服系統應該是系統動力學水平上的反饋伺服系統,但目前國內外還沒有動力學水平上的視覺伺服系統。因為一方面,對視覺伺服中涉及的動力學理論問題研究還不充分,許多問題懸而未決。另一方面,要真正實現視覺伺服就必須使視覺系統的處理速度與運動控制系統相當,同時解決視覺信號的濾波問題。在分解速度控制的思想基礎上,我們提出一種基於分解速度控制的視覺伺服方案。其實質是運動學水平的視覺反饋控制。這時,只要求圖象處理的速度與某一層次的運動學規劃速度相當。

現有理論不足之處

視覺處理的實時性限制尚未充分考慮

由於視覺處理的實時性限制,目前阻抗控制所處理的對象大多為低速問題。如避障,其目標是防止機器人與物體接觸。一些涉及到運動日標抓取的系統也井未就衝擊控制的問題展開深入地研究。

事實上,高速運動接觸對期望接觸阻抗特性參數的要求很高。而期望阻抗特性參數的選擇與目標的動量、接觸速度和機器人末端表現出的慣性特性都有關。

接觸慣性特性研究不足

在已有的機械臂接觸運動物體的研究中,方法集中在通過非接觸阻抗控制控制機器人和目標的接觸速度上,而對調節機器人的接觸慣性特性研究不足。實際套用中,由於衝擊作用的時間很短,如果在機器人高速運動中控制接觸,系統受力感測元件、控制執行元件的時延影響。因此很難實現接觸阻抗控制的性能日標。

智慧型控制體系的研究

對實際套用應當是把諸多的影響機器人與物體接觸的因素加以統一考慮,勢必要求研究某種實時運動控制機制來進行多因素協調的控制。而這方面的研究還未見報導。

套用前景

這方面的研究是實現機器人捕捉運動目標的關鍵技術,具有重要的套用意義。最明顯的套用前景就是太空捕捉衛星機器人。隨著太空技術的發展,太空服務或軌道服務的重要性凸現出來。1984年4月月由NASA的STS-4IC號任務完成了人類第一次衛星服務。在1992年5月的STS-49號任務中,為捕捉一顆未進入預定軌道的衛星,3位太空人在艙外連續工作了8小時29分,創下了美國太空行走的記錄。此次任務告訴人們由太空人來接近和捕捉正在旋轉的衛星是多么的危險和困難。此後,人們意識到應該套用機器人對商業衛星進行營救、修理、補充燃料和日常維護。

另一個具有前景套用領域是拋接機器人。傳統的機器人移動物體的方法是抓取、移動、放下,可達範圍必須在機器人的操作範圍內。而人類為擴大操作範圍,常常會利用物體的慣性以及周圍的環境,運用各種手段,如拋接、滑動、碰撞和反彈等等,其實現的關鍵環節也是捕捉運動物體。此外,該項技術還可以套用在太空系統的對接、空中和海上加油,抓取裝配線傳送帶上在運動的零部件,垃圾自動分撿和機器人打球等場合。上述套用中,都涉及到如何在接觸的過程中,既保證物體穩定的操作(抓取或打擊),又要保證不損壞物體和機器人本身。因此，與運動目標安全、穩定的接觸顯得格外重要。