摘 要：隨著機(jī)械人技術(shù)的不斷發(fā)展，對移動機(jī)械手的控制研究尤為重要。文章從路徑規(guī)劃、運(yùn)動控制兩個方面闡述了近年來對移動機(jī)械手控制研究的進(jìn)展。同時對移動機(jī)械手控制研究的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)械手；路徑規(guī)劃；運(yùn)動控制

前言

移動機(jī)械手由一個移動平臺和安裝在其上的一個或若干個機(jī)械手組成。對于單獨(dú)的移動機(jī)器人，只有移動功能；而單獨(dú)的機(jī)械手，只有操作功能，且其工作空間有限；移動機(jī)械手取長補(bǔ)短，同時具有移動功能和操作功能，而且有巨大的工作空間和高度的運(yùn)動冗余性，可以有效地對機(jī)械手末端操作器定位，并進(jìn)行有效操作。由于理論研究和工程實(shí)際的需要，對移動機(jī)械手系統(tǒng)控制的研究尤為必要。

對移動機(jī)械手的控制研究主要分為兩大類：一類是機(jī)械手與移動平臺的路徑規(guī)劃；另一類是機(jī)械手與移動平臺的運(yùn)動控制。對于給定的工作任務(wù)，首先，需要規(guī)劃機(jī)械手與移動平臺的路徑，保證機(jī)械手與移動平臺只是在一定的合法區(qū)域內(nèi)以一定的合法路徑工作；其次，就是要對機(jī)械手與移動平臺的運(yùn)動進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。移動機(jī)械手涉及機(jī)械手與移動平臺兩個子系統(tǒng)，需要考慮運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等問題，因此，如何協(xié)調(diào)控制至關(guān)重要。

1 移動機(jī)械手的路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃在移動機(jī)械手運(yùn)動控制中具有非常重要的地位，其直接影響著控制的準(zhǔn)確性和靈活性。為使移動機(jī)械手能夠快速、平穩(wěn)、有效的到達(dá)指定位置，同時在保證整個移動機(jī)械手系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的前提下，需要按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行路徑規(guī)劃，避免移動機(jī)械手位置、速度、加速度發(fā)生突變等不良現(xiàn)象。由于移動機(jī)械手具有高度的運(yùn)動冗余性，對于給定的任務(wù)，既可以通過機(jī)械手或移動平臺獨(dú)立運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，也可使二者同時運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。此外，機(jī)械手與移動平臺具有不同的動力學(xué)特性，導(dǎo)致移動機(jī)械手具有復(fù)雜的運(yùn)動模型，而且存在強(qiáng)動力學(xué)耦合，有的移動平臺還受非完整約束。這些都使移動機(jī)械手的路徑規(guī)劃問題備受關(guān)注，下面介紹現(xiàn)有的路徑規(guī)劃方法。

移動機(jī)械手路徑規(guī)劃的重點(diǎn)是協(xié)調(diào)移動平臺和機(jī)械手。參考文獻(xiàn)[1]建立了全方位移動機(jī)械手廣義的運(yùn)動學(xué)模型，以Visual C++作為編程語言調(diào)用OpenGL來建立路徑規(guī)劃的仿真平臺，對路徑規(guī)劃進(jìn)行了三維仿真，使研究者對移動機(jī)械手的運(yùn)動方式有一個感性的認(rèn)識，并且可以檢驗(yàn)路徑規(guī)劃策略的正確性及合理性，對移動機(jī)械手的研究具有指導(dǎo)性意義；參考文獻(xiàn)[2]提出一種分級協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃法以及一種動態(tài)加權(quán)優(yōu)化策略，對移動機(jī)械手的路徑進(jìn)行離線規(guī)劃，在避障的前提下，保證了移動機(jī)械手性能指標(biāo)最優(yōu)，但計(jì)算時間較長，只適用于已知的靜態(tài)情況；參考文獻(xiàn)[3]則針對動態(tài)情況提出一種動態(tài)規(guī)劃方法，該方法包含預(yù)處理和動態(tài)規(guī)劃兩個階段，能夠有效的躲避靜態(tài)和動態(tài)障礙物，并且完成任務(wù)；張大朋[4]設(shè)計(jì)了HEBUT-II型移動機(jī)械手視覺系統(tǒng)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對路標(biāo)進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)對路徑的實(shí)時在線規(guī)劃；參考文獻(xiàn)[5]則提出了一種基于C空間分解——路標(biāo)法的路徑規(guī)劃算法，將整個C空間分解成兩組低維子空間，分別基于子空間建立路標(biāo)圖，從而完成整個C空間內(nèi)路標(biāo)圖的建立，將路標(biāo)圖的搜索維數(shù)由六維轉(zhuǎn)化為了三維，降低了路標(biāo)圖的搜索空間，同時采用自適應(yīng)變步長法來選取路標(biāo)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)前兩時刻機(jī)械手各關(guān)節(jié)距障礙物距離的變化情況來決定下一路標(biāo)點(diǎn)的選擇，也實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線規(guī)劃；參考文獻(xiàn)[6]提出一種將快速搜索隨機(jī)樹法與雅可比轉(zhuǎn)秩控制算法相結(jié)合的混合算法，也利用了距目標(biāo)點(diǎn)工作空間的距離來調(diào)整位姿，并選擇性的作為樹的擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)，避免了對逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行求解，利用雅可比轉(zhuǎn)秩控制算法計(jì)算出最優(yōu)擴(kuò)充方向，采用二分梯度下降擴(kuò)充方法來對末端工具的速度加以限制，避免關(guān)節(jié)速度發(fā)生突變；參考文獻(xiàn)[7]在可操作度學(xué)說基礎(chǔ)上，運(yùn)用壁障矩陣來衡量機(jī)械手中間關(guān)節(jié)在執(zhí)行末端軌跡任務(wù)時的形狀變化能力和避障能力，并采用避障操作構(gòu)型指數(shù)，為移動機(jī)械手壁障軌跡規(guī)劃提供了一種途徑；參考文獻(xiàn)[8]提出了基于貝葉斯決策的元胞自動機(jī)局部路徑規(guī)劃方法，將元胞蟻群系統(tǒng)得出的狀態(tài)先檢驗(yàn)概率數(shù)據(jù)，再以貝葉斯決策論求取最小條件風(fēng)險，用于最優(yōu)路徑識別，并運(yùn)用“超級風(fēng)險”，對局部環(huán)境變化的適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理一類環(huán)境改變后的局部路徑規(guī)劃。

另外，遺傳算法在路徑規(guī)劃中有許多優(yōu)點(diǎn)：具有自學(xué)性；不需要確定的轉(zhuǎn)換規(guī)則，而是概率轉(zhuǎn)換的規(guī)則；魯棒性強(qiáng)；并行性高，可同時搜索很多點(diǎn)，可以提高求得全局最優(yōu)解的概率；參考文獻(xiàn)[9]利用遺傳算法對移動機(jī)械手進(jìn)行了路徑規(guī)劃，包括兩點(diǎn)規(guī)劃和多點(diǎn)規(guī)劃；而董芃梅[10]采用化路徑協(xié)調(diào)規(guī)劃為優(yōu)化問題的方法，先提出合理的優(yōu)化準(zhǔn)則函數(shù)，再采用遺傳算法來解決移動機(jī)械手規(guī)劃的優(yōu)化問題。

2 移動機(jī)械手的運(yùn)動控制

關(guān)于移動機(jī)械手的運(yùn)動控制問題，文章從以下三個方面進(jìn)行闡述：子系統(tǒng)與整體；未知的動力學(xué)耦合與外界干擾；基于互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)動控制。

2.1 子系統(tǒng)與整體

早期對移動機(jī)械手的運(yùn)動控制是將其視為機(jī)械手與移動平臺兩個子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，沒有考慮完整的動力學(xué)模型，而移動機(jī)械手具有復(fù)雜的非線性動力學(xué)特征，研究整個系統(tǒng)更具有實(shí)際意義。劉兵[11]建立了機(jī)械手和移動平臺的子運(yùn)動模型，并通過建立移動機(jī)械手的動力學(xué)模型確立質(zhì)量、力與加速度以及慣量、力矩與角加速度之間的關(guān)系，根據(jù)機(jī)械手末端執(zhí)行器和移動平臺的運(yùn)動情況完成相應(yīng)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算，使它們能以期望的加速度和速度運(yùn)動，具有良好的位置精度；參考文獻(xiàn)[12]基于用旋量理論建立了非完整移動機(jī)械手的動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了移動平臺子系統(tǒng)的運(yùn)動控制器；唐智[13]采用“嵌入式系統(tǒng)+現(xiàn)場總線+下位單片機(jī)”這種分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了基于嵌入式和總線技術(shù)的智能移動機(jī)械手控制系統(tǒng)，采用多主式和主從式相結(jié)合的控制，其智能控制層通過安裝在移動機(jī)械手上各個關(guān)節(jié)的總線節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對移動機(jī)械手的自動化控制，各總線節(jié)點(diǎn)對輸入信號進(jìn)行處理，利用程序?qū)敵鰣?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，具有高時效性，高控制精度的優(yōu)點(diǎn)。但其采用移動平臺與機(jī)械手分開控制，實(shí)際控制較為繁雜；蔣文萍[14]給出了統(tǒng)一的移動機(jī)械手整體動力學(xué)建模方法；參考文獻(xiàn)[15]將機(jī)械手與移動平臺視為一個整體，研究了移動機(jī)械手的模糊PID控制方法，通過拉格朗日方程建立移動機(jī)械手系統(tǒng)的動力學(xué)模型，基于動力學(xué)模型進(jìn)行模糊決策，建立了機(jī)械手系統(tǒng)的模糊PID控制模型，但只適用于低速下誤差較大的情況。

2.2 未知的動力學(xué)耦合與外界干擾

移動機(jī)械手具有時變，強(qiáng)耦合的非線性動力學(xué)特征，有的移動平臺還受非完整約束；復(fù)雜多變的環(huán)境；這些都是實(shí)現(xiàn)移動機(jī)械手精確有效的運(yùn)動控制需要考慮的問題。劉兵[11]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)、容錯等方面的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了移動機(jī)械手控制器，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分層遞階智能控制策略，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分別對機(jī)械手與移動平臺兩部分的協(xié)調(diào)運(yùn)動進(jìn)行解耦和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的協(xié)調(diào)運(yùn)動。參考文獻(xiàn)[16]提出了一種魯棒軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，它能很好的克服模型誤差、外部干擾等未知因素，具有較好的動、靜態(tài)性能和很強(qiáng)的魯棒性。馮冬青[17]對于摩擦力、外界干擾及參數(shù)不確定的非完整機(jī)械手控制問題，通過分別建立機(jī)械手、移動平臺、移動機(jī)械手的Lyapunov函數(shù)，提出了一種由完整機(jī)械手與非完整移動平臺組成的移動機(jī)械手魯棒跟蹤控制算法，此控制方法能使系統(tǒng)漸進(jìn)跟蹤給定信號，提高了移動機(jī)械手的控制性能。參考文獻(xiàn)[18]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無窮逼近能力，設(shè)計(jì)了估計(jì)器，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性進(jìn)行在線辨識，提出了一種不依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)知識的魯棒軌跡跟蹤控制策略，有效阻止了非模型有界干擾的影響，實(shí)現(xiàn)了對全方位移動機(jī)械手系統(tǒng)機(jī)械手與移動平臺的協(xié)調(diào)控制。參考文獻(xiàn)[19]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了分層智能控制器，控制結(jié)構(gòu)上仿造人的行為方式，也利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來辨識和補(bǔ)償機(jī)械手與移動平臺之間存在的未知動力學(xué)耦合與外界干擾，實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手系統(tǒng)部分或完全自主控制。蔣文萍[14]針對移動機(jī)械手的非線性特點(diǎn)，提出了T-S模糊控制算法，將復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為若干線性問題的組合，利用線性矩陣不等式方法為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋控制器，該控制器具有良好的控制效果和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)[20]則綜合考慮移動機(jī)械手的非線性和強(qiáng)耦合特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PD反饋控制器。參考文獻(xiàn)[12]應(yīng)用非線性反步控制技術(shù)和模糊邏輯系統(tǒng)的通用逼近性，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了不確定非完整移動機(jī)械手的動力學(xué)魯棒模糊控制器，在一定的假設(shè)條件下，控制器不依賴于非完整移動機(jī)械手的動力學(xué)模型，放松了對斜對稱的要求，且控制器對參數(shù)和外界擾動等不確定性因素具有較強(qiáng)了魯棒性和自適應(yīng)性。

2.3 基于互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)動控制

在互聯(lián)網(wǎng)時代里，互聯(lián)網(wǎng)使信息交換有很多優(yōu)點(diǎn)：不受空間限制；交換具有時域性、互動性；使用成本低；信息交換能以多種形式存在；信息儲量大、高效、快。基于互聯(lián)網(wǎng)的移動機(jī)械手具有廣泛的應(yīng)用前景。文章從定位導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤與遠(yuǎn)程控制三個方面介紹基于互聯(lián)網(wǎng)的移動機(jī)械手運(yùn)動控制。

2.3.1 定位導(dǎo)航

趙君鑫[21]首先針對移動機(jī)械手的定位導(dǎo)航，基于模糊控制以及多傳感器融合技術(shù)，提出移動機(jī)械手的路徑跟蹤和混合定位的方案，利用顏色傳感器配合模糊控制器實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手的路徑跟蹤，GPS以及條形碼傳感器的混合使用實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手在不同工作環(huán)境下的定位；其次，針對移動機(jī)械手的遙操作，以WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個以HEBUT2型移動機(jī)械手為被控單元、TCP/IP為傳輸/控制協(xié)議、Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的機(jī)械人遙操作系統(tǒng)，利用WINSOCK控件實(shí)現(xiàn)Client服務(wù)器與Server服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)了雙向、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。參考文獻(xiàn)[22]為提高全方位移動機(jī)械手（ODMM）導(dǎo)航的效率與精度，提出了基于超聲波絕對定位的導(dǎo)航策略，策略包括絕對定位的奔向目標(biāo)與避障行為，該策略可以實(shí)時精確定位，實(shí)時調(diào)整ODMM的方向與速度；同時，采用單冗信息融合（FSRI）法來提高超聲波的絕對定位精度，并將基于FSRI法的絕對定位應(yīng)用到ODMM導(dǎo)航上，大大提高了ODMM的導(dǎo)航效率與精度。參考文獻(xiàn)[23]則利用雙目泛傾斜變焦攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手系統(tǒng)的視覺伺服協(xié)調(diào)操作，提出了色調(diào)、飽和度、亮度顏色模型空間下圖像分割的改進(jìn)算法，通過閥值更新和外接矩形改善分割結(jié)果，提高檢測算法對環(huán)境的適應(yīng)性，計(jì)算目標(biāo)物體的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其定位測量。

2.3.2 目標(biāo)跟蹤

李建國[24]針對往復(fù)式移動機(jī)械手，設(shè)計(jì)了氣動回路及PLC控制系統(tǒng)的硬件電路，分析了利用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行精確位置控制的原理并設(shè)計(jì)了部分主要程序，確定目標(biāo)運(yùn)動的方向，算法簡單實(shí)用可行，利于實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的快速跟蹤處理。

2.3.3 遠(yuǎn)程控制

張傳壘[25]對基于互聯(lián)網(wǎng)的移動機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，建立了基于瀏覽器的多層分布式輪式移動機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了基于瀏覽器的運(yùn)動控制和多傳感器的數(shù)據(jù)接收，并采用Java Applet、JSP和JavaBean技術(shù)，通過合理設(shè)計(jì)服務(wù)器端控制網(wǎng)頁和Java程序，實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)械手狀態(tài)的圖像監(jiān)控、直接行為的控制、移動機(jī)械手傳感器參數(shù)的獲取以及網(wǎng)絡(luò)延時的監(jiān)控。宋振清[26]研究了基于Web Services的移動機(jī)械手網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以互聯(lián)網(wǎng)為應(yīng)用環(huán)境，采用B/S結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于.NET的客戶層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層和后端管理系統(tǒng)層的三層架構(gòu)，結(jié)合SQL Service數(shù)據(jù)庫技術(shù)，也開發(fā)了一個基于瀏覽器的移動機(jī)械手遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。參考文獻(xiàn)[27]采用基于XML的Web Services技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于Web Services移動機(jī)械手遙操作控制系統(tǒng)，使整個應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)從以操作系統(tǒng)為中心的應(yīng)用程序組織模式擴(kuò)展到以網(wǎng)絡(luò)為中心的組織模式，在視野上從本地擴(kuò)展到了全球，并且簡化了工業(yè)自動化的體系結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)控制的功能和效率，提高了遠(yuǎn)程控制的整體性與穩(wěn)定性，真正實(shí)現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化。參考文獻(xiàn)[28]針對移動機(jī)械手控制方式復(fù)雜、環(huán)境周圍信息獲取能力不足的缺點(diǎn)，采用OTG接口連接搖桿手柄的Android手機(jī)和無線視頻傳輸方案，實(shí)現(xiàn)對移動機(jī)械手的可視化實(shí)時控制，以O(shè)MAP4430開發(fā)板和Android手機(jī)為核心，通過響應(yīng)搖桿水平、豎直方向的移動和手柄按鍵來控制機(jī)械手運(yùn)動，同時借助USB攝像頭拍攝720P視頻，經(jīng)H264編碼后用無線網(wǎng)卡發(fā)送到Android手機(jī)，解碼后顯示在控制界面上，與人際交互友好、控制簡單、多核間負(fù)載平衡、無線視頻服務(wù)實(shí)時性強(qiáng)。

3 結(jié)束語

近年來，移動機(jī)械手的控制研究在理論與實(shí)際中取得了一定的成果。隨著科技的發(fā)展，移動機(jī)械手將廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域?？刂坪唵危僮黛`活方便將是其未來研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向。

對于控制器的設(shè)計(jì)，需要考慮移動機(jī)械手系統(tǒng)的未知動力學(xué)耦合與、復(fù)雜未知環(huán)境、未知外界干擾、避障等因素，以提高其自適應(yīng)能力；對于處理方法，使用智能控制方法操作更為便捷；另外，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制將占主導(dǎo)地位。

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作者簡介：劉應(yīng)軍（1995，7-），男，貴州省銅仁松桃人，南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)廣西大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)，本科生。