蔡 軍，張 毅，劉 璐，黃 浩，陳運(yùn)華，洪 洋，匡仲琴，王浩宇

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

智能機(jī)器人目前正處于蓬勃發(fā)展的階段。例如，2010年上海世博會(huì)上歐洲館的主題是“智能歐洲”，可見世界發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人的發(fā)展方向瞄準(zhǔn)了智能化產(chǎn)品的開發(fā)［1］。我國(guó)目前也在順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，積極推動(dòng)機(jī)器人等高科技產(chǎn)品在醫(yī)療方面的應(yīng)用。據(jù)資料顯示，我國(guó)每年要進(jìn)口數(shù)以千億元計(jì)的醫(yī)療器械，尤其是價(jià)格昂貴的醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人(其中進(jìn)口的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人每臺(tái)的價(jià)格高達(dá)2千多萬元)。因此，研制具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)的醫(yī)用機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。在這樣的大環(huán)境下，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于模糊控制的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人。本設(shè)計(jì)采用模糊控制算法對(duì)機(jī)器人的速度進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)類人智能，使機(jī)器人能夠穩(wěn)定高速地按照一定路線完成指定任務(wù)，大大地提高了機(jī)器人的路徑識(shí)別能力與移動(dòng)能力;同時(shí)，在機(jī)器人的醫(yī)療手臂中心還裝有它的“眼睛”——灰度傳感器，通過灰度識(shí)別顏色抓取物品，大大地提高了抓取的成功率。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 醫(yī)療機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

本醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人具有識(shí)別不同路徑、抓取醫(yī)療物品、運(yùn)送模擬病人等功能。該系統(tǒng)主要分為以下功能模塊:MCU芯片(ATMEL公司的8位單片機(jī)Atmega128)、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、紅外檢測(cè)模塊、灰度模塊，如圖1所示?；驹硎峭ㄟ^七路灰度傳感器采集場(chǎng)地信息，根據(jù)MCU內(nèi)置算法進(jìn)行分析，計(jì)算出賽道的偏移量，控制電機(jī)使機(jī)器人進(jìn)行巡線運(yùn)動(dòng);同時(shí)，通過紅外模塊檢測(cè)障礙物，以便醫(yī)療手臂的“眼睛”——高精度灰度傳感器發(fā)現(xiàn)并識(shí)別醫(yī)療物品，控制直流減速電機(jī)抓取醫(yī)療物品［1－3］。

圖1 醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人功能模塊圖

1.2 各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)

總電源采用14.4 V鎳鉻電池。MCU、紅外檢測(cè)、灰度傳感器、舵機(jī)四個(gè)模塊由14.4 V鎳鉻電池穩(wěn)壓成5 V電壓供電;而直流電機(jī)則穩(wěn)壓成12 V電壓供電，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制［4］。其中，穩(wěn)壓模塊均采用LM2596芯片的典型可調(diào)電路，各模塊供電的具體情況如圖2所示。

圖2 各模塊具體供電情況

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用LMD18200直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置保護(hù)電路，閾值為10 A。該驅(qū)動(dòng)電路將電源電壓(14.4 V)調(diào)制成頻率一定的PWM波，改變脈沖的占空比從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。Atmega128芯片的PB0和PB4經(jīng)HCPL2630和TLP521光耦隔離后接入DIR和PWM端，通過LMD18200 OUT1和OUT2接入電機(jī)。

四路紅外接近開關(guān)識(shí)別障礙物并抓取醫(yī)療物品，紅外開關(guān)檢測(cè)距離可達(dá)3～80 cm，且響應(yīng)時(shí)間低于2 ms，方便易用。它通過障礙物返回的紅外線進(jìn)行識(shí)別，若識(shí)別到物體則為低電平。紅外接近開關(guān)分別編號(hào)為0～3，不同的傳感器檢測(cè)到的電壓值有所不同，分別可以有:0和1、2和3、1和3等幾種情況，不同情況機(jī)器人的位置不同，并給予不同的校正量［5］。

圖3 七路灰度傳感器模塊

場(chǎng)地識(shí)別和路徑檢測(cè)至關(guān)重要，本醫(yī)療機(jī)器人采用七路灰度傳感器配合巡線?；叶葌鞲衅魇且环N模擬傳感器，它利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，而光敏三極管的發(fā)射極和集電極之間的阻值又隨之變化的原理進(jìn)行顏色深淺的檢測(cè)。如圖3所示，七路灰度傳感器由七只高亮發(fā)光二極管和七只光敏三極管并行安裝。在3～10 cm的范圍內(nèi)，高亮發(fā)光二極管發(fā)出光線，照射在檢測(cè)面上，檢測(cè)面反射部分光線，通過光敏三極管的基集控制三極管的導(dǎo)通。淺色物體為低電平，三極管導(dǎo)通;深色為高電平，三極管截止。醫(yī)療手臂中心也裝有“眼睛”，通過灰度識(shí)別是否成功抓取物品，如果抓取失敗，則返回執(zhí)行其他策略，效率得到明顯提升。場(chǎng)地的識(shí)別與檢測(cè)采用七路灰度傳感器配合，分別編號(hào)0～6號(hào)。不同的狀態(tài)給予機(jī)器人不同的矯正量，矯正機(jī)器人的機(jī)身［4－5］。

由上述可知，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人電機(jī)速度控制的響應(yīng)時(shí)間和控制精度對(duì)該機(jī)器人能否準(zhǔn)確完成指定功能具有相當(dāng)重要的影響。同時(shí)，由于機(jī)器人所處的環(huán)境復(fù)雜多變，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，采用模糊控制算法對(duì)機(jī)器人的速度進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)類人智能，使機(jī)器人可以穩(wěn)定高速地按照一定路線完成任務(wù)。

2 模糊控制算法

速度模糊控制分為信息采集、模糊化、模糊推理和清晰化四個(gè)環(huán)節(jié)［6－7］。速度模糊控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

首先，機(jī)器人通過單片機(jī)動(dòng)態(tài)掃描傳感器信息，及時(shí)捕捉機(jī)器人巡線情況。當(dāng)機(jī)器人相對(duì)于指定路線發(fā)生偏移時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)灰度傳感器的反饋值，通過反饋信息調(diào)整左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以減小機(jī)器人的偏移誤差。假設(shè)單片機(jī)檢測(cè)到機(jī)器人的中心相對(duì)于指定路線的誤差為ε。以誤差ε作為模糊輸入量，通過模糊推理得到機(jī)器人所處位置的模糊隸屬函數(shù)μA(ε)。然后，通過PID算法使機(jī)器人的動(dòng)作清晰化，輸出調(diào)整后對(duì)應(yīng)的左右輪速度差Δ，經(jīng)過一系列閉環(huán)控制使機(jī)器人準(zhǔn)確高效地完成任務(wù)。

圖4 速度模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5 傳感器排布圖

在信息采集和模糊化環(huán)節(jié)，如圖5所示，機(jī)器人前方的七個(gè)光敏三極管和發(fā)光二極管組平行等距排列，每組之間間距為d，顯然最中間的一組應(yīng)為車身的中線。小車直線行駛時(shí)，當(dāng)車的中心線與巡線重疊時(shí)，小車準(zhǔn)確行駛不偏移。此時(shí)傳感器組僅有中間的一組檢測(cè)到白色巡線，導(dǎo)通變?yōu)榈碗娖?，其余六組均為高電平。以傳感器組作為分界標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)中線偏離d以內(nèi)的認(rèn)為基本無偏移(巡線在D3和D5間);偏離d～2d的，認(rèn)為是向左或者向右偏移(巡線在D2～D3或D5～D6間);偏離中線超過2d的，認(rèn)為是嚴(yán)重偏移(巡線在D2或者D6外)。于是在輸入語(yǔ)言變量E的論域中，語(yǔ)言取值為“VL”(嚴(yán)重左偏)、“L”(左偏)、“Z”(無偏移)、“R”(右偏)、“VR”(嚴(yán)重右偏)［6－8］。

誤差模糊輸入論域E的分布服從中間型梯形型隸屬函數(shù)。假設(shè)機(jī)器人偏移誤差論域E={ε1，ε2，…，εi，…，εn}的隸屬度為 A={μA(ε1)，μA(ε2)，…，μA(εi)，…，μA(εn)}，則在模糊推理環(huán)節(jié)有:

由于偏移量εi越大，巡線相對(duì)于中線的隸屬度μA(εi)就越小，相應(yīng)輸出的左右兩輪的轉(zhuǎn)速差Δi就越大，故隸屬度與輪速差存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。將模糊隸屬度μA(ε)作為清晰化環(huán)節(jié)的輸入量參與PID控制，通過控制比例、積分和微分環(huán)節(jié)使機(jī)器人行動(dòng)清晰化。經(jīng)典控制理論中的PID控制，能夠消除余差，克服擾動(dòng)，快速響應(yīng)反饋并調(diào)整系統(tǒng)使之趨于穩(wěn)定。如圖6所示，在時(shí)域內(nèi)輸入量為R(t)，誤差為e(t)，控制器輸出量為U(t)，則輸入量與輸出量有如下關(guān)系:

圖6 PID控制結(jié)構(gòu)框圖

由于單片機(jī)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)掃描為離散值，設(shè)采樣周期為T，在第k個(gè)周期離散化位置的PID算法公式為:

通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)修正，我們最終可以確定比例系數(shù)Kp和積分、微分環(huán)節(jié)系數(shù)KI、KD。當(dāng)該式全量輸出時(shí)為左右輪速，且與歷史狀態(tài)量有關(guān)，對(duì)于主控芯片的計(jì)算開銷龐大，不利于系統(tǒng)的優(yōu)化和快速響應(yīng)。因此，改輸出為輪速增量，計(jì)算中無需累加，增量值僅與最近幾次的采樣值有關(guān)。故改為增量式算法，得到在采樣的第i個(gè)周期，輸出量輪速差Δ與輸入誤差ε和隸屬度μA(ε)的關(guān)系如下:

在PID控制的微分環(huán)節(jié)容易引入高頻干擾，故在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的控制電路后接一個(gè)低通濾波器，效果較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

比起單純的PID控制，基于模糊控制的PID算法加快了系統(tǒng)響應(yīng)的速度，非常適用于慣性大、滯后大的復(fù)雜系統(tǒng)。并且在處理輸入數(shù)據(jù)上，模糊控制不需要知道被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)形態(tài)，相比經(jīng)典控制理論需要確切的輸入對(duì)象而言簡(jiǎn)單很多。由于模糊規(guī)則是模糊控制系統(tǒng)中模糊推理的依據(jù)，它主要依據(jù)對(duì)系統(tǒng)的觀察和測(cè)量的結(jié)果生成。經(jīng)過大量測(cè)試后可得到較完善的模糊規(guī)則，采用推理查表法和重心法可去模糊化，可以得到較理想的控制結(jié)果。

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