15、机器人手臂安全控制与语音报警终端设计

机器人手臂安全控制与语音报警终端设计

一、机器人手臂位置 - 扭矩 - 位置切换控制

1.1 滑动模式控制

为减少位置控制过程中的摩擦影响和速度波动，采用了滑动模式控制（SMC）方法。假设存在一个斜坡参考位置输入：
[Vt = r(t)]
速度参考 (\dot{r}=V) 为常数，位置误差和速度误差分别为：
[\begin{cases}
e = r - \theta \
\dot{e} = \dot{r} - \dot{\theta}
\end{cases}]
滑动模式面定义为：
[S = C\dot{e} + e]
比例切换控制输入为：
[u(t)=\alpha e+\beta \dot{e}+\beta \text{sgn}(S)]
其中 (C)、(\alpha)、(\beta) 为正常数，(\theta) 可由编码器检测，(\dot{\theta}) 由 (\theta) 微分得到。

1.2 从位置控制切换到扭矩控制

实现位置 - 扭矩 - 位置切换控制的关键在于如何在位置控制和扭矩控制之间进行恰当切换。在位置追踪模式下，反馈控制回路仅需位置传感器，无需扭矩传感器；而在扭矩控制模式下，为确保安全，必须严格限制作用在人体上的扭矩/力，因此扭矩传感器不可或缺。

在位置控制模式下，基于已知数学模型构建了一个扭矩观测器，其输入为实时位置、速度、加速度和负载扭矩，输出为扭矩观测值。将扭矩观测值与扭矩传感器检测到的扭矩进行比较，若差异明显，则修正观测器模型，直至二者接近。

当机器人手臂与人碰撞时，在位置控制模式