柔性关节服务机器人臂控制技术研究与验证

A compliant element is serially put into robot joints to bring forth a lot of advantages such as safety, stable force control, explosive motion, high-efficiency cyclic motion, bio-inspiration, torque measurement, etc. However, flexibility in joints results in non-collocation of the actuators and the sensor and degrades performance in robot manipulation. Moreover, robots coexisting with human beings may probably suffer from vast external disturbances. Consequently, appropriate control techniques for service robot arm with compliant joints should be able to address the following issues: 1). Circumvent the non-collocation of the actuator and the sensor and improve the performance of position, force, and impedance controls; 2). Describe quantitatively the relationship between achieved performance and physical constraints on mechanism so that concurrent design of mechanism and control is feasible; 3). Reject vast external disturbances in physical Human-Robot Interaction (pHRI). .In order to achieve the above goals, four main subjects will be studied: 1). Develop port-based modelling method on multi-domain dynamical systems to capture and to simulate dynamics of service robot arm with compliant joints as well as its interactive behaviors; 2). Design ISS-based hierarchical nonlinear robust control for service robot arm with compliant joints to circumvent the non-collocation obstacle so that the performance of position, force, and impedance controls is improved. Furthermore, the achieved performance in terms of the bounds of disturbances is mathematically described. 3). Use singular perturbation theory to explore the achieved performance limitation by control on the service robot arm with compliant joints, from which design rules on robot mechanism, e.g., how to select stiffness of the compliant element, are derived in view of prescribed performance indices; 4). Disturbance-observer-based Active Disturbance Rejection Control ( ADRC) is adopted to reject vast external disturbances in pHRI.

在关节中串入柔性单元，能获得安全、稳定力控制、爆发运动、高效率循环运动、仿生、关节力矩测量等好处。但同时导致驱动器与传感器不同位，使机器人性能退化。另外，机器人运行在人类环境中，可能会受到大的外部干扰。所以，柔性关节服务机器人臂的控制技术要解决：1）、克服不匹配导致的位置、力以及阻抗控制性能退化；2）、定量地描述可达控制性能与机构物理约束之间的关系，实现机构与控制同时设计；3）、抑制可能出现的大外部干扰。主要工作有：1）、通过基于端口的多物理域建模与仿真，研究柔性关节服务机器人臂及其交互行为的动态；2）、采用基于输入-状态稳定性（ISS）的分层非线性鲁棒控制，克服不匹配性，提高控制性能，并定量地描述能达到的控制性能；3）、使用奇异摄动理论分析控制能达到的性能极限，推导机构设计准则，如，如何选择柔性单元刚度；4）、利用基于干扰观测的自抗扰控制（ADRC）抑制人-机器人物理交互中的大外部干扰。

服务机器人必须满足安全性要求，即，当与人或环境物理接触时，不会对人造成伤害或破坏环境，同时也能保障机器人自身的安全。实现安全性的常用方法有：轻量化机构、柔性关节以及主动柔顺。在服务机器人中，通常采用高减速比的谐波减速机与无刷直流电机结合产生高功率密度驱动的方式实现机器人机构轻量化。然而，谐波减速机柔性导致的关节柔性会降低机器人刚度。另一方面，主动在模块化关节中添加弹性单元，可以缓冲外部冲击、降低反射惯量以及作为力测量元件，但导致了更大的关节柔性。.针对服务机器人存在关节柔性的问题，本项目开展了柔性关节机器人的物理交互控制技术研究，主要完成如下工作：⑴. 基于输入-输出稳定性理论，提出了适用于非无源环境的交互稳定性判据，并引入了鲁棒交互稳定性概念。⑵. 揭示了阻抗控制的频率受限特性，提出新的阻抗控制设计框架。 ⑶. 基于鲁棒控制理论，设计了鲁棒阻抗控制律，并进行实验验证。取得如下重要结果：⑴. 通过引入标称交互动态模型和鲁棒交互稳定性的概念，解决了阻抗控制中的因果性悖论，从而将阻抗匹配问题归结为轨迹跟踪问题，在统一框架下设计阻抗和导纳控制器。⑵. 将交互稳定性判据拓广到与非无源环境物理交互的情形。⑶. 揭示了阻抗控制的频率受限特性，即，物理可实现的阻抗控制无法改变机器人的高频特性。然后，基于鲁棒控制理论，设计了鲁棒阻抗控制器，并系统地分析了SEA的阻抗控制性能。.柔性关节机器人臂交互控制技术是服务机器人的使能技术之一。本项目在交互控制的基本原理与设计方法上取得了一系列突破性进展，解决了阻抗控制中长期困扰学术界的因果性悖论和频率受限特性问题，揭示了机器人内在刚度与虚拟刚度之间的联系，为进一步发展成熟的阻抗控制理论奠定了良好基础。同时，推广应用该项目的研究成果，也将加速服务机器人的实用化进程。