陳東鳳

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用電子學(xué)院，重慶 401331)

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基于改進(jìn)人工勢場的采摘仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)和仿真研究

陳東鳳

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用電子學(xué)院，重慶 401331)

提出了一種應(yīng)用于水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的仿生機(jī)械手，并設(shè)計(jì)了仿生機(jī)械手指關(guān)節(jié)微電機(jī)的協(xié)同控制虛擬總軸系統(tǒng)，提高了采摘機(jī)器人手指關(guān)節(jié)的靈活性，降低了水果采摘機(jī)器人采摘過程中對(duì)果實(shí)的損傷。針對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)人工勢場控制器難以滿足由負(fù)載擾動(dòng)引起的多電機(jī)實(shí)時(shí)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，提出了具有相鄰吸引力的人工勢場多電機(jī)同步控制方法，通過相鄰電機(jī)的相互作用，使各個(gè)電機(jī)協(xié)同工作，降低了負(fù)載擾動(dòng)對(duì)于機(jī)械仿生手指動(dòng)作不協(xié)調(diào)的干擾。對(duì)采摘機(jī)械仿生手各手指關(guān)節(jié)電機(jī)的跟隨協(xié)同性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：采用改進(jìn)后的人工勢場模型后，可以有效地改善跟隨手指的角度誤差，響應(yīng)效率高，在更短的時(shí)間內(nèi)可以將誤差降低到最低。對(duì)采摘過程手指的協(xié)同性進(jìn)行了虛擬仿真研究，結(jié)果表明：改進(jìn)后人工勢場控制模型三手指角速度的數(shù)值差異較小，三手指的協(xié)同性較好，可以滿足協(xié)同控制的設(shè)計(jì)要求。

采摘機(jī)械手；人工勢場；仿生機(jī)械；虛擬仿真；協(xié)同控制

0 引言

近年來，關(guān)于多電機(jī)同步控制的研究受到越來越多的關(guān)注，多電機(jī)同步控制已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，不僅解決了諸多工程中的實(shí)際問題，而且獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。采摘機(jī)器人機(jī)械仿生手的手指關(guān)節(jié)采用微電機(jī)進(jìn)行控制，屬于多電機(jī)協(xié)同工作的系統(tǒng)，是一個(gè)多變量、非線性的模型，因此對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更高。人工勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機(jī)器人作業(yè)的環(huán)境抽象為引力和斥力構(gòu)建的場，目標(biāo)會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生引力作用，而障礙物會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力作用，最后利用合力來控制機(jī)器人的移動(dòng)路徑。將人工勢場進(jìn)行改進(jìn)后，應(yīng)用到仿生機(jī)械手關(guān)節(jié)多電機(jī)的控制系統(tǒng)中，對(duì)手指的協(xié)同控制研究具有重要的意義。

1 采摘仿真機(jī)械手指結(jié)構(gòu)原理

在水果的采摘過程中，機(jī)械手指在對(duì)水果抓取過程中很容易造成水果的傷害，為了降低機(jī)械手對(duì)采摘果實(shí)的傷害，提高采摘機(jī)械手指的靈活性，需要設(shè)計(jì)一種類似人類手指的仿生機(jī)械手。仿真機(jī)械手以人類手指為參考對(duì)象，需設(shè)計(jì)較為柔軟的接觸面；同真實(shí)人類手指一樣，具有靈活的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)采用開環(huán)控制。由于手指體積較小，因此需要采用微電機(jī)控制。以蘋果采摘為例，手指抓取蘋果過程如圖1所示。

圖1 手指把握蘋果示意圖

為了簡化設(shè)計(jì)、節(jié)省成本，可以蘋果的抓取為例，主要對(duì)3個(gè)手指進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，使3個(gè)手指在微電機(jī)的控制下，可以協(xié)同動(dòng)作， 其整體設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

圖2 仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

采用微電機(jī)對(duì)仿真機(jī)械手的關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，并利用電子虛擬總軸來同時(shí)控制仿生機(jī)械手的手指關(guān)節(jié)電機(jī)。與同步運(yùn)行的機(jī)械長軸類似，電子虛擬總軸中將信號(hào)通過總軸作用后，計(jì)算每臺(tái)電機(jī)的輸入信號(hào)；總軸協(xié)調(diào)后，使每個(gè)手指的關(guān)節(jié)電機(jī)跟隨運(yùn)動(dòng)，從而間接地對(duì)整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改善。電子虛擬總軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電子虛擬總軸控制結(jié)構(gòu)圖

在電子虛擬總軸控制系統(tǒng)中，各個(gè)手指電機(jī)的控制回路是相對(duì)獨(dú)立的，各個(gè)回路的關(guān)系為并行關(guān)系，由于各個(gè)電機(jī)之間沒有耦合關(guān)系，因此控制較為簡單易行。在這種控制方式下，各個(gè)手指關(guān)節(jié)控制電機(jī)不存在指令的時(shí)間差，若一個(gè)手指電機(jī)關(guān)節(jié)電機(jī)被擾動(dòng)，可利用人工勢場通過相鄰電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 基于改進(jìn)人工勢場的機(jī)械手微電機(jī)協(xié)同控制算法

對(duì)于傳統(tǒng)的人工勢場而言，其考慮的僅僅是主電機(jī)和跟隨電機(jī)的作用，而沒有考慮相鄰電機(jī)之間的關(guān)系。如果跟隨電機(jī)中的某個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同于其他電機(jī)，相鄰電機(jī)不能很好地保持協(xié)同性，會(huì)使電機(jī)的協(xié)同作用降低，影響多電機(jī)同步控制的效果。改進(jìn)后的人工勢場如圖4所示。其考慮了相鄰電機(jī)1和2之間的引力，可以使轉(zhuǎn)速保持高度協(xié)同，從而使整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)處于同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)后的多電機(jī)受力示意圖

假設(shè)α表示相鄰電機(jī)i和i+1的轉(zhuǎn)角，Δα(αi,αi+1)=αi-αi+1表示轉(zhuǎn)角差，Δαl表示轉(zhuǎn)角差額定最大值。當(dāng)Δα(αi,αi+1)=αi-αi+1<Δαl時(shí)，在電機(jī)上會(huì)差生引力場，相鄰電機(jī)之間的引力勢場為

Δα(αi,αi+1)<Δαl

(1)

其中，β表示正比例增益系數(shù)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為

Fx(i,i+1)=β(αi,αi+1)

(2)

而改進(jìn)后人工勢場跟隨電機(jī)i所受的合力為

Fh(i)=Fx(i)+Frep(i)+Fx(i,i+1)

(3)

其中，F(xiàn)rep(i)表示斥力。由此可見，改進(jìn)后的人工勢場的電機(jī)受力不僅包括引力和斥力，還包括相鄰電機(jī)的作用力，其控制的耦合性更強(qiáng)， 因此在一個(gè)手指發(fā)出動(dòng)作后，其他手指可以更好地追隨該手指發(fā)出動(dòng)作。把電機(jī)受到的合力作為主手指同步控制器的輸入，可以使其他手指使其能夠和其他跟隨手指實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作。本次研究以單個(gè)智能體為研究對(duì)象，根據(jù)電機(jī)中的電壓和電矩平衡方程可以得

(4)

其中，U表示采摘機(jī)械手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩端電壓；r表示回路中的總電阻；L表示電路繞組的電感；w表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；i表示回路電流；E表示回路的感應(yīng)電動(dòng)勢；c表示電壓反饋系數(shù)；J表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；k表示電磁力矩的系數(shù)；TL表示負(fù)載的轉(zhuǎn)矩；T表示電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)x1=α、x2=w時(shí)，可以得到控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(5)

Ui(t)=U1i(t)+U2i(t)

(6)

其中，跟隨誤差控制器的輸出采用PID控制器進(jìn)行控制，其表達(dá)式為

(7)

其中，e(t)表示期望的控制誤差，通過控制其大小可以得到期望的輸出值；kP、kI、kD分別表示比例、積分和微分控制系數(shù)。

3 采摘仿生機(jī)械手實(shí)驗(yàn)測試和虛擬仿真

為了驗(yàn)證改進(jìn)人工勢場對(duì)采摘仿真機(jī)械手關(guān)節(jié)微電機(jī)協(xié)同控制的效果，以茄子采摘為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了仿生機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)測試，測試對(duì)象主要是跟隨電機(jī)的跟隨誤差,如圖5所示。

圖5 仿真機(jī)械手指茄子實(shí)驗(yàn)

為了使仿生機(jī)械手完成采摘過程，首先將仿生機(jī)械手置于茄子的位置，然后給定主手指電機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)向信號(hào)，從而可以得到手指作用時(shí)間隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。

圖6 作用力隨時(shí)間變化曲線

在轉(zhuǎn)向的作用下，手指和茄子進(jìn)行接觸，由于給定電機(jī)轉(zhuǎn)向的信號(hào)屬于階躍信號(hào)，因此在起始階段作用力為零；當(dāng)接受到信號(hào)后，手指作用力隨時(shí)間保持一個(gè)恒定值，通過測試得到了其他兩個(gè)手指的角度跟隨誤差如圖7所示。

采摘機(jī)械手誤差測試的實(shí)驗(yàn)曲線表明：采用人工勢場后可以有效地改善跟隨手指的角度誤差，并且響應(yīng)迅速，在較短的采摘時(shí)間內(nèi)可以將誤差降低到最低。

如圖8所示，為了進(jìn)一步驗(yàn)證采摘仿生機(jī)械手微電機(jī)的協(xié)同控制效果，本研究采用MatLab/Simulink平臺(tái)，對(duì)仿生機(jī)械手的微電機(jī)同步控制方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其手指的虛擬網(wǎng)格模型如圖9所示。

圖7 采摘機(jī)械手手指誤差測試曲線

圖8 機(jī)械仿生手采摘模型

圖9 虛擬仿真網(wǎng)格模型

利用手指的虛擬網(wǎng)格可以繪制出手指上任一點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線，在3個(gè)手指上分別取一點(diǎn)，便可以得3手指的協(xié)同控制曲線。通過仿真模擬計(jì)算，得到了在階躍響應(yīng)下，3個(gè)手指橫向擺動(dòng)的角速度曲線，如圖10所示。

圖10 改進(jìn)前階躍響應(yīng)下橫向擺動(dòng)角速度仿真曲線

為了驗(yàn)證改進(jìn)后人工勢場對(duì)多微電機(jī)協(xié)同控制的效果，分別對(duì)改進(jìn)前后階躍響應(yīng)下的手指擺動(dòng)角速度曲線進(jìn)行了仿真計(jì)算，如圖11所示。由改進(jìn)前的階躍響應(yīng)下手指擺動(dòng)的角速度可以看出：改進(jìn)前3手指角速度的數(shù)值差異較大，不能滿足協(xié)同控制的設(shè)計(jì)要求。

圖11 改進(jìn)后階躍響應(yīng)下橫向擺動(dòng)角速度仿真曲線

由改進(jìn)后的階躍響應(yīng)下手指擺動(dòng)的角速度可以看出：改進(jìn)后3手指角速度的數(shù)值差異較小，3手指的協(xié)同性較好，可以滿足協(xié)同控制的設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了改進(jìn)人工勢場對(duì)多電機(jī)協(xié)同控制的可靠性。

4 結(jié)論

利用改進(jìn)的人工勢場模型，結(jié)合微機(jī)電技術(shù)和多關(guān)節(jié)微電機(jī)的協(xié)同控制虛擬總軸系統(tǒng)，對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地提高了采摘機(jī)器人手指關(guān)節(jié)的靈活性，降低了不同手指負(fù)載擾動(dòng)對(duì)整個(gè)機(jī)械手動(dòng)作不協(xié)調(diào)的干擾。采用實(shí)驗(yàn)測試和虛擬仿真相結(jié)合的方法，對(duì)采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：采用改進(jìn)后的人工勢場模型后，手指跟隨運(yùn)動(dòng)的誤差得到了明顯的改善，而且提高了響應(yīng)速度。仿真結(jié)果表明：采用改進(jìn)后人工勢場控制模型后，3手指的協(xié)同性較好，從而驗(yàn)證了改進(jìn)后的人工勢場在多電機(jī)協(xié)同控制中的作用，為采摘機(jī)器人仿生機(jī)械手的研究提供了重要借鑒。

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Design and Simulation of Bionic Picking Manipulator Based on Improved Artificial Potential Field

Chen Dongfeng

(Institute of Applied Electronics, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

It presents an application to fruit picking robot execution for bionic manipulator, and designs bionic robot finger joints micro motor coordinated control, virtual shaft system, which improves the picking robot finger joint flexibility, reduces the fruit picking robot picking the damage to the fruit in the process. According to traditional motor artificial potential field controller, it is difficult to meet the load disturbance caused by multi motor real-time synchronous operation. The adjacent attraction is the artificial potential field of multi motor synchronous control method. Through the interaction of adjacent motor, each motor cooperative work and reduce the load disturbance for bionic robot finger in coordination of interference. The results show that the artificial potential field model can effectively improve the follow the finger angle error with high efficiency response, and it can be error can be reduced to a minimum in a shorter period. The picking process is with the help of finger coordination of research on virtual simulation. The simulation results show that the improved artificial potential field to control the numerical difference of the angular velocity of the model of three fingers is smaller, the three fingers are in good synergy, which can meet the requirements of the control collaborative design.

picking manipulator; artificial potential field; bionic machinery; virtual simulation; collaborative control

2016-03-03

重慶市教委科學(xué)技術(shù)一般項(xiàng)目(KJ51277192)

陳東鳳(1974-)，女，湖南邵陽人，講師，(E-mail)cdfcq@sina.cn。

S126;TP24

A

1003-188X(2017)05-0231-05