26、机器人操作器容错控制器的性能评估

机器人操作器容错控制器的性能评估

1. 引言

随着机器人系统的引入，工业生产在生产率、产量和产品质量方面都有了显著提升。然而，随着技术进步带来自动化程度的提高，系统复杂度也随之增加，组件数量增多，故障或异常运行的概率也相应上升，这可能导致操作人员面临危险、用户使用困难以及经济损失等问题。尽管无法完全消除故障，但可以通过合适的控制系统对其进行有效管理，以减少工业过程中的性能下降。

当系统发生故障时，可能会进入性能下降区域，但有些系统能够恢复到最佳性能区域或接近该区域，这类系统被称为容错系统。容错系统对于机器人操作器，尤其是在太空、水下或核环境等远程或危险环境中执行任务的操作器，变得越来越重要。

为了评估容错控制器的性能，我们考虑了一个冗余SCARA型机器人的前三个自由度，该机器人需遵循由线性段组合而成的笛卡尔测试轨迹。我们使用经典控制定律开发了三种容错控制器：双曲正弦 - 余弦、计算扭矩和自适应惯性。这些控制器的测试将在通过MatLab/Simulink软件开发的仿真环境中进行。性能测试要求模拟在轨迹执行过程中操作器的一个执行器发生阻塞的故障情况。最后，我们将通过关节和笛卡尔误差，以图形和均方根率的方式对这些容错控制器进行性能评估。

2. 容错控制

容错控制的概念最早源于飞机的容错控制，在科学层面上，它在1991年第一届IFAC SAFEPROCESS大会上被确立为基本目标，并自21世纪初以来得到了更深入的发展。容错控制可分为主动和被动两种方法，具体如下：
- 被动容错控制 ：基于反馈系统补偿扰动、系统动态变化甚至系统故障的能力。它通过对反馈控制系统进行稳健设计，使其对某些特定故障具有免疫力