張 紅

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

機(jī)械手臂是通過(guò)模擬人類(lèi)和動(dòng)物抓取動(dòng)作進(jìn)行物品抓取和搬移作業(yè)的機(jī)器人，它作為人工智能機(jī)器人的重要應(yīng)用方向，在實(shí)現(xiàn)人工輔助作業(yè)、智能工件安裝以及物品排放等領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用價(jià)值[1]。機(jī)械手臂的抓取跟蹤系統(tǒng)是建立在多變量、非線性和非平穩(wěn)的多變量控制系統(tǒng)上，對(duì)其進(jìn)行魯棒性控制，從而達(dá)到提高機(jī)械手臂仿生抓取控制穩(wěn)健和抓取平穩(wěn)的目的。機(jī)械手臂的智能控制系統(tǒng)對(duì)提高機(jī)械手臂控制的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性具有重要意義，相關(guān)控制方法的研究受到人們極大的關(guān)注。

機(jī)械手臂抓取動(dòng)作的穩(wěn)定性控制是建立在對(duì)機(jī)械手臂工作物理環(huán)境參量信息的采集和測(cè)量基礎(chǔ)上的，通過(guò)傳感器和敏感元件進(jìn)行機(jī)械手臂的慣性姿態(tài)測(cè)量和行為參數(shù)分析[2-4]，采用信息融合跟蹤識(shí)別模式和識(shí)別方法進(jìn)行機(jī)械手臂抓取優(yōu)化控制。傳統(tǒng)方法中，對(duì)機(jī)械手臂的控制方法主要采用模糊控制和積分控制方法等[5]，受到機(jī)械手臂的環(huán)境擾動(dòng)和關(guān)節(jié)力矩的非線性擾動(dòng)影響，導(dǎo)致機(jī)械手臂抓取作業(yè)的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能較差；隨著機(jī)械手臂的步進(jìn)空間和位形空間增大，控制的穩(wěn)定性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于阻尼力矩反饋調(diào)節(jié)和小型可編程邏輯控制器(PLC)的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)及控制方法，首先采用阻尼力矩反饋調(diào)節(jié)和魯棒性控制方法進(jìn)行機(jī)械手臂的控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，展示了本文方法在提高機(jī)械手臂穩(wěn)定性控制方面的優(yōu)越性。

1 控制律設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂在抓取作業(yè)和搬移作業(yè)中受到各個(gè)部件的擾動(dòng)影響，由于出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差，因此需要進(jìn)行機(jī)械手臂控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，采用加速度計(jì)、磁力傳感計(jì)和三軸陀螺儀進(jìn)行機(jī)械手臂的位姿參量采集[6]，構(gòu)建一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)描述機(jī)械手臂抓取作業(yè)的動(dòng)力學(xué)平衡擬合，假定某時(shí)刻機(jī)械手臂抓取的姿態(tài)角β*為：

(1)

式中：V(K)1為偏差信號(hào)；∑(K)1為控制器輸出信號(hào)；U(K)1為位姿參量系數(shù)；Y(K)為機(jī)械穩(wěn)態(tài)系數(shù)；T為采樣時(shí)間。機(jī)械手臂控制中采用姿態(tài)傳感器進(jìn)行信息采集的原始數(shù)據(jù)輸入。采用多傳感器融合跟蹤方法，得到機(jī)械手臂控制的慣性誤差K1為：

(2)

式中：n為機(jī)械臂最大運(yùn)行速度；e為控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；qi為機(jī)械臂抓取重心最大偏差。設(shè)計(jì)PLC嵌入式邏輯控制參數(shù)修正模糊向量，計(jì)算機(jī)械手臂的姿態(tài)參量穩(wěn)態(tài)跟蹤反饋信號(hào)：

H(s)+Y(s)=Gm(s)U(s)

(3)

式中：s為機(jī)械臂抓取信息采集距離；H(s)為機(jī)械手臂較高位置方向矢量；Y(s)為機(jī)械手臂水平位置方向矢量；Gm(s)為機(jī)械手臂控制的模糊函數(shù)；U(s)為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

上述機(jī)械手臂的穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)具有時(shí)滯性，對(duì)此采用阻尼力矩反饋調(diào)節(jié)方法，采用二自由度IMC-PID控制器，得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

(4)

式中：G11(s),G12(s),G21(s),G22(s)為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)奇異位置方向矢量。根據(jù)采樣輸入偏差、采樣時(shí)間得出阻尼力矩反饋輸出信號(hào)，并從Gm(s)端輸出到控制器中。通過(guò)施加外部控制信號(hào)u，采用閉環(huán)PI型迭代學(xué)習(xí)方法進(jìn)行機(jī)械手臂的力矩控制：

(5)

式中：R(s)為機(jī)械手臂運(yùn)行位置；GC(s)為其共有空間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的廣義速度。

式(5)沒(méi)有時(shí)滯項(xiàng)，因此采用時(shí)滯補(bǔ)償方法，得到機(jī)械手臂延遲環(huán)節(jié)反饋調(diào)節(jié)的輸出值A(chǔ)(s)為：

(6)

式中：λ1為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)平臺(tái)1時(shí)延參數(shù)；λ2為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)平臺(tái)2時(shí)延參數(shù)；D(s)為頂端動(dòng)平臺(tái)時(shí)延參數(shù)；Lm為線性參數(shù)。結(jié)合參量的自適應(yīng)反饋結(jié)果，機(jī)械手臂的力矩控制存在特征方程：

(7)

采用時(shí)滯二自由度控制方法，得到機(jī)械手臂控制的輸出增益函數(shù)K：

K=ΔK·Km

(8)

式中：ΔK為積分系數(shù)；Km為微分系數(shù)。當(dāng)ΔK>0時(shí)，在連續(xù)時(shí)滯補(bǔ)償下，得到優(yōu)化的控制方程：

(9)

式中：Ax(t)為機(jī)械手臂的總動(dòng)能；Bx[t-d1(t)-d2(t)]為機(jī)械手臂的總位能；d1(t)為手臂關(guān)節(jié)運(yùn)行常數(shù)；d2(t)為手臂末端運(yùn)行軌跡；x(t)為手臂運(yùn)行橫向坐標(biāo)值；f(t)為自由度，是描述機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)；h為手臂關(guān)節(jié)運(yùn)行最大軌跡范圍。

根據(jù)線性化小擾動(dòng)的優(yōu)化條件，當(dāng)x(t)=[x1(t),x2(t),…,xt(t)]T時(shí)，表示機(jī)械手臂的時(shí)滯誤差項(xiàng)收斂到零，此時(shí)機(jī)械手臂的控制約束參量具有自相關(guān)性，表明本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂控制律具有收斂性和穩(wěn)態(tài)跟蹤能力。

2 機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分

2.1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)造

在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)控制律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。以小型PLC為邏輯控制處理芯片，提出一種基于阻尼力矩反饋調(diào)節(jié)和小型PLC的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)及控制方法，系統(tǒng)包括姿態(tài)傳感器模塊、信息集成處理模塊、控制指令傳輸模塊和人機(jī)交互模塊等，其中傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手臂的姿態(tài)參量傳感信息采集功能，信息處理模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手臂集成控制信息處理功能，控制指令傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信息加載和程序控制功能，人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂智能控制的人機(jī)對(duì)話功能。系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)分組設(shè)計(jì)的方法[7]，其中上位機(jī)實(shí)現(xiàn)頂層的通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)集成單元設(shè)計(jì)和信息采集融合設(shè)計(jì)，得到機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)框圖，進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)和機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的單片機(jī)控制，以提高對(duì)機(jī)械手臂控制程序的智能加載和信息輸出效率。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件部分采用嵌入式的ARM集成設(shè)計(jì)處理方案，采用低功耗的小型PLC為邏輯處理芯片，分別對(duì)姿態(tài)傳感器模塊、信息集成處理模塊、控制指令傳輸模塊和人機(jī)交互模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)姿態(tài)傳感器模塊。姿態(tài)傳感器模塊采用三軸陀螺儀進(jìn)行機(jī)械手臂的姿態(tài)參量采集和慣性融合，采用TMS320VC5409A作為A/D對(duì)采集的機(jī)械手臂姿態(tài)參量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換控制，采用1～5 V的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行控制，輸出地址的范圍為8000H～FFFFH，DSP采樣BMODE2-0管腳與人機(jī)交互模塊相連，實(shí)現(xiàn)傳感信息的實(shí)時(shí)傳輸和機(jī)械手臂控制指令的有效收發(fā)和執(zhí)行[8]，設(shè)計(jì)的傳感器模塊如圖2所示。

圖2 傳感器模塊

2)信息集成處理模塊。信息集成處理模塊采用PLC進(jìn)行嵌入式邏輯控制，在PLL_LOCKCNT達(dá)到設(shè)定的周期后，判斷當(dāng)前A/D采樣結(jié)果，采用TMS320VC5409A作為智能信息處理器的核心芯片，把機(jī)械手臂控制指令的字長(zhǎng)設(shè)為18位，PLC邏輯控制芯片的串口設(shè)定為并行雙工串口，由此實(shí)現(xiàn)信息的采集和處理，設(shè)計(jì)的信息處理模塊如圖3所示。

圖3 信息處理模塊

3)控制傳輸模塊。控制傳輸模塊以TMS32C10/C14/C15/C16/C17多功能的DSP芯片作為嵌入式電路的內(nèi)核控制芯片，進(jìn)行控制傳輸模塊設(shè)計(jì)，采用2個(gè)32 KB 的緩存SRAM作為機(jī)械手臂控制系統(tǒng)外部總線，實(shí)現(xiàn)控制程序加載和輸出控制[9]，設(shè)計(jì)的控制傳輸模塊如圖4所示。

圖4 控制傳輸模塊

4)人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂智能控制中人機(jī)對(duì)話和信息交互功能，人機(jī)交互模塊采用圖形用戶界面(graphical user interface， GUI)設(shè)計(jì)，GUI的C2530管腳與DS18B20相連，采樣通道設(shè)置為8通道，控制系統(tǒng)通過(guò)AD5545進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互模塊如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互模塊

在嵌入式環(huán)境中，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)模塊采用TMS320VC5409A作為智能信息處理器的核心芯片[10]，完成對(duì)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)應(yīng)用性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采用CPLD編程進(jìn)行機(jī)械手臂控制的執(zhí)行程序加載[11]，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為機(jī)械手臂控制程序加載的輸入端，設(shè)定對(duì)機(jī)械手臂姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的頻率為1 200kHz，機(jī)械手臂的動(dòng)作傳感信息輸出時(shí)間為0.15ms，誤差較小，能有效滿足控制精度的要求，根據(jù)上述參量設(shè)定，以機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)矩為測(cè)量指標(biāo)，得到機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)矩姿態(tài)控制跟蹤曲線如圖6所示。

圖6 機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)矩姿態(tài)控制跟蹤曲線

分析圖6可知，采用本文方法進(jìn)行機(jī)械手臂控制，姿態(tài)參量跟蹤性能較好，說(shuō)明控制精度較高，進(jìn)一步測(cè)試機(jī)械手臂抓取物理目標(biāo)距離參量的控制性能曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制性能曲線

分析圖7可知，采用本文方法進(jìn)行機(jī)械手臂控制輸出穩(wěn)態(tài)性較好，控制性能曲線具有較持久、穩(wěn)定的跟蹤控制效能，提高了機(jī)械手臂控制的魯棒性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)傳感器和敏感元件進(jìn)行機(jī)械手臂的慣性姿態(tài)測(cè)量和行為參數(shù)分析，采用信息融合跟蹤識(shí)別模式和識(shí)別方法進(jìn)行機(jī)械手臂抓取優(yōu)化控制，以提高機(jī)械手臂控制的穩(wěn)態(tài)性。本文提出了一種基于阻尼力矩反饋調(diào)節(jié)和小型PLC的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)及控制方法，進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。研究表明，采用本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)進(jìn)行控制穩(wěn)定性較好，姿態(tài)量化融合跟蹤能力較強(qiáng)，提高了機(jī)械手臂姿態(tài)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和魯棒性。