基于模糊滑模控制与扰动观测器的农业机械臂无力传感器柔顺控制方法研究

《Agronomy》：Research on a Force-Sensorless Control Method for an Agricultural Manipulator Based on Fuzzy Sliding Mode Control and a Disturbance Observer

　　

专业术语翻译摘要 农业机械臂在果实采摘与枝条修剪过程中，易受柔顺接触与硬接触、目标刚度变化以及枝条剪断瞬间约束突然释放等因素引起的扰动影响。然而，外部力/力矩传感器成本高昂、安装复杂且难以适应农业作业环境。本研究提出一种融合模糊滑模控制与扰动观测器（FSMC-DOB）的无力传感器柔顺控制方法，并在RML63六自由度机械臂上开展实验验证。模糊滑模控制增强了关节轨迹跟踪的鲁棒性，其中模糊自适应机制有效抑制了传统滑模控制固有的抖振现象；扰动观测器（DOB）用于估计腕部关节处的外部扰动，并通过偏置学习、平滑饱和以及任务特定柔顺补偿，在不依赖外部力传感器的情况下实现接触扰动估计与控制调整。研究进一步构建了双时间尺度扰动特征提取与接触置信度映射方案，可抑制短时扰动瞬态引起的虚假接触触发，提升接触检测的鲁棒性。此外，针对修剪作业中枝条剪断后约束突然解除引起的末端反弹与力矩冲击，设计了断裂/释放事件检测器与短时冲击抑制策略。MATLAB仿真结果表明，所提方法在自由运动下具有满意的轨迹跟踪性能；在软接触采摘场景下，最大等效压缩变形与压缩均方根值分别降至0.090 rad与0.046 rad，优于PID与传统滑模控制；在硬接触修剪场景下，全局均方根误差（RMSE）与断裂后峰值误差分别为0.1491 rad与0.3722 rad。ROS–Gazebo仿真与物理实验进一步验证了运动连续性、可靠的接触辨识能力及工程可行性，表明该方法在复杂农业接触作业中具有更优的稳定性、安全性与适应性。

论文解读

一、研究背景与问题提出

果实采摘与枝条修剪是农业生产中劳动密集度极高的作业环节，其作业质量直接影响果实损伤程度、植株生长状态及后续产量。随着劳动力成本上升、劳动力短缺及农业从业人口老龄化问题日益突出，农业机器人成为提升生产效率、降低人工依赖的重要途径。尽管已有大量研究在感知、定位、运动规划、系统集成及末端执行器设计等方面取得了显著进展，但机械臂与农作物之间的可靠物理交互仍然是制约自主农业作业的关键难题。农业目标在几何形状、刚度、柔顺性及接触条件等方面存在显著差异，使得机械臂与作物之间的物理交互难以精确建模与控制。

在果实采摘过程中，目标果实通常质地柔软且易受机械损伤，过大的接触刚度或压缩量可能导致果皮擦伤或表面损伤，而接触力不足又会导致抓取不稳定。在枝条修剪过程中，机械臂末端执行器与枝条之间形成相对硬接触，接触力在断裂前逐渐累积，一旦枝条被剪断，外部约束突然消失，机械臂将沿切割方向产生自然前冲。若缺乏有效的反向阻尼，这种瞬态运动可能导致位置与速度超调、振动、二次碰撞甚至对机器人、作物及周围环境造成损害。

传统的外部力/力矩传感器虽可直接测量交互力，但其成本高、安装复杂，且难以集成到紧凑的农业末端执行器中，限制了其实际应用。此外，农业机械臂同时受到建模不确定性、负载变化、关节摩擦及作物诱导扰动等多重因素影响，对轨迹跟踪鲁棒性提出了更高要求。在无力传感器操作中，扰动估计同时包含外部接触效应与内部系统扰动，直接利用估计扰动进行柔顺补偿并不可靠。同时，作物与周围枝叶的接触往往是间歇性且含噪声的，短时枝叶刮擦产生的扰动在幅值上可能与真实接触扰动相近，传统基于阈值的检测方法容易产生虚假触发或接触状态抖振。此外，修剪作业中枝条剪断后约束突然释放引起的瞬态问题，在常规收获控制中鲜有考虑。

针对上述研究空白，本研究确立了四个研究目标：一是开发模糊滑模控制器，在提升关节空间轨迹跟踪鲁棒性的同时降低传统滑模控制的抖振；二是构建融合偏置学习、平滑饱和与任务特定柔顺补偿的腕关节扰动观测器，实现无力传感器交互控制；三是开发双时间尺度扰动特征提取与连续接触置信度映射方法，区分持续接触与短时扰动瞬态，提升接触状态辨识的连续性；四是开发断裂/释放事件检测与短时冲击抑制策略，降低枝条修剪过程中约束突然移除引起的瞬态响应。

二、研究方法概述

研究人员提出了一种融合模糊滑模控制与扰动观测器的无力传感器柔顺控制方法（FSMC-DOB），应用于RML63六自由度农业机械臂。该方法包含四个核心模块：模糊滑模控制器、腕关节扰动观测器、双时间尺度接触置信度估计与柔顺补偿模块、断裂/释放事件检测与冲击抑制模块。模糊滑模控制器采用积分滑模面并结合模糊推理系统调节切换项增益，在保持滑模控制鲁棒性的同时抑制抖振。扰动观测器仅针对腕部关节J4–J6构建，通过偏置学习消除工具重量、负载变化及传动偏差引入的慢变偏移，并采用平滑饱和函数限制补偿力矩的突变。接触检测模块基于双时间尺度扰动特征（快特征与慢特征）与平滑阶跃函数构建连续接触置信度变量α，区分持续接触与短时扰动瞬态。断裂/释放事件检测模块在确认稳定接触后，通过检测扰动快速下降特征触发事件，并在抑制窗口内重置观测器状态、冻结积分项、衰减切换项并注入附加阻尼力矩。研究通过MATLAB仿真、ROS–Gazebo任务级仿真及物理实验三个层面验证了方法的有效性。

三、研究结果

自由运动场景结果分析。 在无外部扰动的自由运动工况下，FSMC-DOB的全局均方根误差（RMSE）为0.0088 rad，腕部RMSE为0.0085 rad，均接近PID控制器水平，且相比传统滑模控制（SMC）分别降低了约61.9%和73.8%。腕关节误差曲线平滑，无持续发散或低频漂移，表明模糊自适应机制有效缓解了传统滑模切换动作引起的抖振，且扰动观测器与接触检测模块未对正常运动引入额外不利影响。

软接触采摘场景结果分析。 在模拟果实采摘的软接触工况下，FSMC-DOB的最大等效关节空间压缩量降至0.090 rad，相比PID和SMC分别降低约34.3%和70.3%；等效压缩均方根值为0.046 rad，分别降低约29.2%和60.0%。尽管FSMC-DOB的峰值关节侧外部扰动转矩（92.4 N·m）和累积交互能量（7505 J）高于SMC（71.1 N·m和3746 J），但该结果体现了不同接触响应指标之间的权衡关系——FSMC-DOB的主要优势体现在变形限制型柔顺响应上，而非最小化所有接触相关指标。

硬接触修剪场景结果分析。 在模拟枝条修剪的硬接触工况下，外部高刚度约束在t=3.0 s时突然移除。FSMC-DOB的全局RMSE为0.1491 rad，相比PID（0.2382 rad）和SMC（0.1725 rad）分别降低约37.4%和13.6%；腕部RMSE为0.1299 rad，低于PID（0.2859 rad）和SMC（0.1477 rad）。断裂后峰值误差从PID的0.7864 rad和SMC的0.4526 rad降至0.3722 rad。放大视图显示，FSMC-DOB在约束释放后有效抑制了峰值误差与腕关节反弹，验证了断裂/释放事件检测与冲击抑制策略的有效性。

ROS–Gazebo平台仿真结果。 在ROS 1与Gazebo构建的任务级仿真平台上，机械臂成功完成了果实采摘（包括目标接近、抓取、转移、放置）和枝条修剪（包括枝条接近、切割、断裂/释放、释放后恢复）的完整任务序列。关节角度轨迹整体连续，无显著突变或异常振荡，表明所提方法在系统级任务执行中保持了运动连续性，且短时冲击抑制策略未对后续机械臂运动产生不利影响。

物理实验验证结果。 在六自由度机械臂物理实验平台上开展了枝条与枝叶修剪及果实采摘实验。接触置信度变量α在接触前保持较低水平，接触建立后显著升高并维持在高位，接触减弱后逐渐下降，与接触建立、持续交互和接触减弱的过程定性一致。修剪过程中机械臂运动相对平稳，无抖振、运动中断或不稳定现象；采摘过程中接触过程无明显硬冲击或异常振动，表明所提方法在真实伺服延迟、关节摩擦、传感器噪声及末端接触扰动条件下具备工程可行性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的科学贡献在于将模糊滑模控制、腕关节扰动观测、双时间尺度接触置信度估计、柔顺调整及断裂/释放冲击抑制统一集成于无力传感器框架中。相比传统阈值接触检测，该方法利用快慢扰动特征与平滑置信度映射区分持续接触与短时扰动波动；相比基于力传感器的柔顺控制，该方法无需外部力/力矩传感器。研究同时指出若干局限性：当前物理平台缺乏独立的力/力矩或标定变形测量，无法进行实验与模型接触参数的直接定量比较；MATLAB仿真中接触交互以等效关节侧扰动转矩表示，而非完整笛卡尔接触模型；观测器与接触检测参数主要针对腕关节及所测试的采摘/修剪工况设计，不同作物、末端执行器与作业环境可能需要参数调整；物理实验在室内模拟环境进行，真实果园中的风、尘、振动、遮挡及多重同时接触等因素尚未考虑；仅腕关节配备扰动观测器，整臂碰撞处理未涉及；嵌入式平台上的实时性能与长期可靠性及安全认证仍需进一步研究。未来工作将聚焦于定量力/变形测量、改进接触建模、自适应参数整定、全关节扰动观测及更广泛的田间验证。

研究结论部分指出，本研究提出的FSMC-DOB无力传感器柔顺控制方法在软接触采摘场景下将最大等效压缩量与压缩均方根值分别降至0.090 rad和0.046 rad；在硬接触修剪场景下，全局RMSE与断裂后峰值误差分别为0.1491 rad和0.3722 rad，均低于PID与传统滑模控制。ROS–Gazebo仿真与物理实验进一步表明，机械臂能够以稳定运动完成代表性采摘与修剪任务，接触置信度变量的变化与交互状态变化定性一致。这些结果证明，所提方法在不依赖外部力/力矩传感器的情况下能够改善接触适应性与释放后稳定性，支持其在农业机械臂作业中的可行性。