拟人机器人上肢多关节控制参数整定

0 引言

拟人机器人手部控制节点的任务是接收机器人“大脑”(即上位机)的指令，完成手部电机的速度及位置控制。拟人机器人手部电机采用DC电机，通常DC电机抗干扰能力有限。本文探索DC电机的PID闭环控制手段，为了得到较好的可能效果，需要寻找合适的控制参数：KP，KI，KD。文中首先对DC电机进行物理抽象，进而建立数学模型，并通过实验手段得到实际电机的系统参数。最后通过模拟手段，实现拟人机器人手部电机开环控制系统及速度闭环PID控制系统的仿真，并通过调节KP，KI，KD获得较好的抗干扰相应。通过仿真得到的控制参数可以反过来用于指导控制节点的设计。

1 DC电机建模

1．1 建立直流电机的物理模型

电机的物理模型如图1所示。

1．2 DC电机数学模型的建立

式(1)是理论分析得到的电机开环控制的数学模型。判断一个模型是否适用于实际的拟人机器人手部DC电机，需要将实际测量电机的相应曲线和理论公式进行比较。

1．3 实际电机的开环阶跃响应

为了确定上述电机模型的参数，同时验证上述电机模型的正确性，首先对电机进行开环阶跃响应实验，给定电机一个目标速度设定，测出电机速度随时间的变化曲线。拟人机器人手部电机装有16线编码盘，给电机加上128／256的PWM站空比(相当于2．5 V电压，PWM站空比与e1成线性关系)，利用单片机的寄存器，通过编写一定的程序测得一组电机每转过π／8对应的时间值，为了处理实际测量得到的数据，使用VC编写一个数据处理程序，在Matlab中运行由VC程序自动生成的．m文件，就可以绘出拟人机器人手部DC电机的响应曲线。在Matlab中运行该文件就可以得到电机的响应曲线，如图2所示。

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1．4 电机数学模型的参数确定

从前面的理论分析得到了一个电机的开环控制时域模型，可以将实际测量得到的电机的开环数据代入式(1)，求出电机模型中的参数a，b，c。其中a=522 284．126 112 083；b=1 282．297 371 441；c=0．084 348 857；从而得到新的曲线，如图3所示，为便于比较同时绘出了

电机实际响应曲线。

由图3可看出理论计算得到的曲线与电机实际曲线的拟合度非常好，说明采用式(1)作为电机开环函数完全可行。控制参数：a=522 28 4．126 112 083；b=1 282．297 371 441；c=0．084 348 857可以作为电机的仿真参数。因此拟人机器人手部电机开环系统的时域响应函数为：

2 电机PID闭环控制系统仿真

从以上分析可以看出，电机开环系统很容易受到干扰。因此在开环的基础上，考虑构造电机的闭环控制系统。由于PD控制系统存在静差，PI控制系统响应时间长，DI控制系统稳定性不好，鉴于此，下面考虑PID控制，其系统仿真模型如图4所示。

该系统的控制效果基本上令人满意，图5是部分控制效果模拟。

由此可见，PID控制很好地结合了PI、PD控制系统的优点，避免了他们的缺陷，使系统最终获得了很高的控制精度、更快的响应速度、更突出的控制稳定性，因此最终选择PID作为机器人上肢DC电机的闭环控制系统。通过对比可以看出，该系统比较完美，超调量几乎没有，响应时间也很短，抗干扰能力也很强。

3 结语

通过以上建模和仿真，找到了一个合适的控制方法，即PID控制，并且经过调节得到的一组较好的PID控制参数为KP=0．002；KD=5；KI=0．000 000 09。按照以上参数，系统最终获得了很高的控制精度、更快的响应速度、更突出的控制稳定性，几乎能够完全抵抗外部的干扰。该仿真对拟人机器人手部控制节点的设计具有很重要的指导作用，同时该方法具有很强的普遍性，对于一般的直流电机的闭环控制也有一定的借鉴意义。