注：翻譯原文為 High Precision Control of Indirect Drive Systems Based on End-effector Sensor Information文章中第 42-47頁(yè)內(nèi)容。第四章使用遙感信息抑制間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的震蕩4.1介紹在間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,諧波驅(qū)動(dòng)器通常被用作傳輸機(jī)制,以達(dá)到減少速度和轉(zhuǎn)矩放大的目的。目前正在設(shè)計(jì)的齒輪，幾乎在任何給定的時(shí)間內(nèi)間隙為零，因此，在應(yīng)用程序需要精確定位的半導(dǎo)體行業(yè)中很受歡迎。諧波傳動(dòng)組件標(biāo)識(shí)如圖4.1所示。波形發(fā)生器是一個(gè)橢圓形狀鋼鐵核心包圍的一個(gè)靈活競(jìng)賽軸承。圓形樣條是一個(gè)有內(nèi)齒的剛性鋼環(huán)。柔輪是一種薄壁柔性杯比外緣內(nèi)邊緣的圓形樣條少了兩個(gè)齒。在裝配時(shí), 波形信號(hào)發(fā)生器插入了柔輪杯和圓弧樣條的齒網(wǎng)，通過(guò)波形信號(hào)發(fā)生器與柔輪齒合在的橢圓的長(zhǎng)軸處。最常見(jiàn)的配置為諧波傳動(dòng)減速/扭矩放大安排。這種模式的操作通常由波發(fā)生器的輸入端口,柔輪輸出端口,和圓形樣條固定。在這個(gè)配置中,波浪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電機(jī)角輸入而柔輪的旋轉(zhuǎn)相反的方向?qū)?yīng)于負(fù)載端輸出。圖4.2顯示了諧波傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的原則在這個(gè)配置。在圖4.2(a),柔輪是由波發(fā)生器偏轉(zhuǎn)成一個(gè)橢圓形狀使柔輪的牙齒接觸的圓形樣條在波發(fā)生器橢圓的長(zhǎng)軸與牙齒完全脫離橢圓的短軸。圖4.1:諧波傳動(dòng)齒輪組件(26)圖4.2:運(yùn)動(dòng)原理[26]當(dāng)t時(shí)刻，波發(fā)生器是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與圓形樣條固定如圖4.2(b)所示,柔輪是接受彈性變形及其齒接觸位置輪流相對(duì)移動(dòng)圓形樣條。當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度,柔輪逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)一個(gè)齒相對(duì)于圓形樣條4.2(c)所示。圖4.2(d)顯示了波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)的情況一個(gè)順時(shí)針(360度)。相對(duì)于圓形樣條柔輪逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)兩個(gè)齒，因?yàn)槿彷啽葓A形樣條少了兩個(gè)齒。諧波傳動(dòng)的特殊配置適合使用在機(jī)器人應(yīng)用程序需要轉(zhuǎn)矩密度、運(yùn)行效率比高的地方。諧波驅(qū)動(dòng)器的概念構(gòu)思和發(fā)展在1950年代中期[65]。主要用于機(jī)器人機(jī)械手等不同的應(yīng)用程序(29)，圖4.3:傳輸錯(cuò)誤的定義力反饋觸覺(jué)設(shè)備[62]和引導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)的車(chē)輛指導(dǎo)技術(shù)[3]增長(zhǎng)。研究理論方面的傳動(dòng)特點(diǎn)，并進(jìn)行了非線(xiàn)性傳輸屬性包括摩擦、傳輸錯(cuò)誤,靈活性,和滯后方面的研究。(19日50、60)。上面提到的在不同的非線(xiàn)性特性中,傳輸誤差是關(guān)系到精密定位重要環(huán)節(jié)。傳輸齒輪的誤差引入了一個(gè)錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈和由于不準(zhǔn)確定位在齒輪的輸出的定位誤差。在許多應(yīng)用程序、定位誤差本身并不重要,但其對(duì)速度的影響變化是至關(guān)重要的。傳輸錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致速度脈動(dòng)裝置的輸出軸，甚至以恒定的輸入軸的轉(zhuǎn)速。這些振動(dòng)成為占主導(dǎo)地位的頻率錯(cuò)誤時(shí)的共振頻率相一致控制系統(tǒng)。速度波動(dòng)主要是在這種情況下放大,經(jīng)常超過(guò)允許水平振動(dòng)[69]。從而減少傳動(dòng)誤差造成的振動(dòng)對(duì)跟蹤精度和性能很重要。傳輸誤差, ,被定義為預(yù)期之間的偏差輸出位置和實(shí)際的輸出諧波傳動(dòng)的位置。它是由以下方程如θ~圖4.3所示:0~???Nm(4.2)實(shí)驗(yàn)波形傳輸誤差在文獻(xiàn)[60]提出。它顯示了一個(gè)振幅小的自然周期。 由于機(jī)械缺陷如減速器失調(diào)和空間齒輪本身的誤差,輸出振蕩隨不同的驅(qū)動(dòng)器和操作條件而改變。然而,已證明實(shí)驗(yàn)的主要組件傳輸錯(cuò)誤波形在每半個(gè)輸入軸處被重復(fù)[19],即脈動(dòng)周期及其基本性質(zhì)兩倍頻率分量對(duì)應(yīng)于輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。因此, 可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的近似正弦曲線(xiàn)計(jì)算如下：θ~??????twAteando0mis~可以發(fā)現(xiàn) 的振幅傳輸誤差的諧波傳動(dòng)的地方。 階段的誤差和 的頻率誤差是電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的teA?兩倍。注意,在(4.2)更高的頻率成分的誤差被忽略。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人速度振蕩在負(fù)載端是非常不可取的。因此,伺服控制系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)控制算法抑制這種振蕩現(xiàn)象。為了抑制由于傳輸誤差引起的振蕩,在文獻(xiàn)[18，20，28]提出了一些控制方法。 Gandhi和Ghorbel[18]提出的非線(xiàn)性控制算法傳動(dòng)誤差的補(bǔ)償，依靠諧波驅(qū)動(dòng)器設(shè)置點(diǎn)監(jiān)管和軌跡跟蹤。Hirabayashi et al。[28]提出的方法通過(guò)高分辨率速度控制器感官漣漪編碼器和修改驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度命令。Godler et al。 [20]應(yīng)用重復(fù)漣漪在諧波傳動(dòng)系統(tǒng)減速控制。在不同的方法,廣泛用于反饋控制電動(dòng)機(jī)側(cè)信息。然而,由于傳輸速度波動(dòng)，負(fù)荷誤差是最重要的尤其是速度振蕩在負(fù)載端，并且只使用電動(dòng)機(jī)側(cè)信息反饋控制器不能有效減少負(fù)載上的振動(dòng)。自適應(yīng)前饋取消(AFC)是一種通過(guò)添加負(fù)面價(jià)值的輸入/輸出裝置(54)消除定期輸入/輸出擾動(dòng)的有效方法,。自擾動(dòng)的價(jià)值通常是未知的,自適應(yīng)地確定估計(jì)在正弦和余弦函數(shù)的振幅擾動(dòng)頻率利用誤差信號(hào)的輸出。在這一章, 提出了一種自適應(yīng)干擾取消計(jì)劃及對(duì)其修改和利用以減少造成的振動(dòng)傳輸錯(cuò)誤。此外,負(fù)載端加速度反饋用于適應(yīng)算法以最小化負(fù)荷端振動(dòng)有效。4.2 單聯(lián)間接驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型傳動(dòng)鏈與傳輸誤差已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的幾種諧波傳動(dòng)模型在文獻(xiàn)(18、19)。在文獻(xiàn)[19],諧波傳動(dòng)模型抑制傳輸誤差和靈活性是使用拉格朗日公式和開(kāi)發(fā)[18]的奇異攝動(dòng)模型。如圖4.4:框圖：?jiǎn)涡烷g接傳動(dòng)系的傳播諧波傳動(dòng)誤差考慮傳播效果是派生誤差和靈活性。文獻(xiàn)[66]提供了帶有傳輸誤差的單型間接傳動(dòng)系的模型，如圖4.4所示，是能夠代表實(shí)際系統(tǒng)足夠準(zhǔn)確的最簡(jiǎn)單模型。注意,圖中所示, 傳輸誤差包含在系統(tǒng)內(nèi)作為電動(dòng)機(jī)的輸出軸位置誤差。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型如圖4.4所示，可以得到eJ??? ?????????????????????? ~~emjemje NdNkd(4.3) ?????? ??????????? ???1ejejmNud通過(guò)分組由于傳輸誤差的非線(xiàn)性條件,(4.3)可以被視為兩個(gè)方面的結(jié)合:標(biāo)準(zhǔn)單型間接傳動(dòng)系模型(2.3)和由于傳遞誤差造成的非線(xiàn)性項(xiàng)。由此可見(jiàn)，狀態(tài)方程表示的系統(tǒng)可以寫(xiě)成：(4.4)dBuAx???在公式 ??~,10jjTemdkjNJB????????、 、 ,在 2.3節(jié)所描述的一樣。 請(qǐng)注意,如公式(4.4)所示, 現(xiàn)在傳遞誤差干擾中包含輸入 ,它ABx dB會(huì)影響系統(tǒng)。圖4.5顯示了閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖與植物公式(4.4)所示。 是電機(jī)的位置參考， 是電動(dòng)機(jī)mrm?的位置。 是負(fù)載的一面加速度參考和是 負(fù)荷端加速度。 和 功能從輸入 傳輸?shù)捷敵鰁r? e????sPe u和 ，而e?m圖4.5:閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖和 是從干擾 到輸出 和 的轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)。 是負(fù)荷端加速度誤差， 是??sPedmde??meer???????sC一個(gè)3.2節(jié)中給出修改后的PID控制器。圖4.6顯示了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖4.5模型取代單型間接驅(qū)動(dòng)設(shè)置部分中描述2.2。圖4.6(一個(gè))顯示的時(shí)間響應(yīng)負(fù)荷端加速度誤差, ，當(dāng)電機(jī)參考 這樣設(shè)計(jì)所需的電機(jī)速度保持穩(wěn)定的維持在34 rad /e?mr秒。圖4.6(b)顯示了負(fù)荷端加速度錯(cuò)誤振幅譜。理想情況下,應(yīng)該保持零負(fù)荷端加速度穩(wěn)定狀態(tài),但在現(xiàn)實(shí)情況下,周期性誤差的頻率兩倍電機(jī)轉(zhuǎn)速和較高的諧波可以觀(guān)察到在負(fù)載端加速度圖所示。注意,第一個(gè)諧波存在最大誤差幅度。