邢印強(qiáng)

(柳州市自動(dòng)化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001)

0 引言

多臂空間機(jī)器人工作在無(wú)過(guò)載、微重力的空間環(huán)境中，其上部機(jī)構(gòu)通常采用軟細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，是典型的柔性多體系統(tǒng)；同時(shí)，反力和力矩的移動(dòng)會(huì)改變?nèi)梭w的姿態(tài)，即，存在運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)機(jī)械手與人體的耦合關(guān)系，導(dǎo)致地面固定平臺(tái)控制技術(shù)不能直接用于多空間機(jī)器人[1]。常規(guī)控制方法是根據(jù)遠(yuǎn)端反饋信息不斷地調(diào)整操作臂的位置，因?yàn)檫b控臂控制中的傳輸延時(shí)很大，要使機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置所需的控制量最小化。以手勢(shì)識(shí)別為基礎(chǔ)，添加了位置識(shí)別為控制手段[2]。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)換算腕部空間坐標(biāo)，得到機(jī)器人手臂末端空間位置 A的坐標(biāo)[3]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)計(jì)算 A點(diǎn)和各關(guān)節(jié)所需的旋轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)端移動(dòng)到 A點(diǎn)，此過(guò)程僅需要本地系統(tǒng)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)之間的一次通信。機(jī)械手移動(dòng)到 A點(diǎn)后，通過(guò)設(shè)定的固定動(dòng)作微調(diào)操作機(jī)構(gòu)，該控制方法雖然能有效地提高機(jī)械手的控制效率，但系統(tǒng)存在整體延遲問(wèn)題。為了解決當(dāng)前協(xié)作機(jī)器人控制系統(tǒng)資源匱乏、價(jià)格高、工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FuzzyP的多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以滿足中小型企業(yè)的控制需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

把模糊控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)，既有模糊控制的自適應(yīng)性，又有模糊控制精度高的特點(diǎn)。使用了一種模糊控制策略，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 基于FuzzyP的機(jī)械臂控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括姿態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)，操作手控制演示界面，以及仿真子系統(tǒng)。其中，姿態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集及處理姿態(tài)信息[4]。加工模塊負(fù)責(zé)姿態(tài)角、腕位的計(jì)算、姿態(tài)的確定；機(jī)械臂控制演示與仿真系統(tǒng)主要包括姿態(tài)信息校正、運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算兩部分。姿態(tài)信息標(biāo)定與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算模塊主要完成人體腕位的計(jì)算，虛擬機(jī)械手端位的標(biāo)定，運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的求解與軌跡規(guī)劃[5]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)顯示和語(yǔ)音控制，機(jī)械手人機(jī)交互控制系統(tǒng)中基于姿態(tài)識(shí)別的各子系統(tǒng)之間采用串行通信方式進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，在原PID控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，只需對(duì)參數(shù)進(jìn)行額外調(diào)整[6]。它由常規(guī)積分控制、微分控制和模糊邏輯控制構(gòu)成，F(xiàn)uzzyP控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)；通過(guò)引入模糊控制，有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性[7]。采用模糊控制在線調(diào)節(jié)比例系數(shù)，克服了傳統(tǒng) PID控制的局限性，有效地解決了復(fù)雜時(shí)變參數(shù)及其它不利因素對(duì)系統(tǒng)速度與穩(wěn)定性的影響[8]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于FuzzyP的多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)，共有18個(gè)自由度。每個(gè)手臂都是空間開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，各關(guān)節(jié)均設(shè)有獨(dú)立的關(guān)節(jié)控制器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多臂機(jī)器人的控制。該系統(tǒng)具有高度的開(kāi)放性，便于多臂機(jī)器人與多個(gè)廠商設(shè)備的連接，并可集成擴(kuò)展[9]。全數(shù)位高速通訊的特性為主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制提供了可靠的保證，也為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人三臂之間實(shí)時(shí)避碰所需的大量數(shù)據(jù)交換奠定了基礎(chǔ)[10]。其總線結(jié)構(gòu)使聯(lián)合控制器的連接大大減少，這樣既能降低硬件成本，又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大提高系統(tǒng)連接的可靠性、操作性和可維護(hù)性。圖2中顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、CAN主站通信卡和聯(lián)合控制驅(qū)動(dòng)器與 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線相連組成[11]。主控制計(jì)算機(jī)和 CAN主站通訊卡之間采用 PCI總線連接，控制系統(tǒng)通過(guò) CAN接口電路與 CAN總線相連。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路

機(jī)械臂的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)研究的基礎(chǔ)，它具有良好的起動(dòng)和調(diào)速性能，因此其穩(wěn)定控制成為研究重點(diǎn)。

2.1.1 電機(jī)選型

對(duì)電機(jī)選擇，有刷直流電機(jī)具有比無(wú)刷直流電機(jī)更好啟動(dòng)調(diào)速性能，且控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。常用于對(duì)啟動(dòng)、調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，如精密機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人裝配等[12]。

2.1.2 電機(jī)位置傳感器選用

對(duì)電機(jī)位置傳感器選用，有增量型編碼器和絕對(duì)型編碼器2種。遞增編碼器是用來(lái)測(cè)量前期基點(diǎn)角測(cè)量位移的遞增編碼器。測(cè)角精度低，測(cè)角精度大，誤差累積;完全編碼器測(cè)量的是工作時(shí)的角度位移。小角測(cè)量不精確，大角測(cè)量沒(méi)有累積誤差。針對(duì)機(jī)械手轉(zhuǎn)角不大的特點(diǎn)，確定采用增量式編碼器，以減少小角度的測(cè)量誤差[13]。

2.1.3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

通過(guò)一個(gè) H橋電路和一個(gè) MOSFET功率開(kāi)關(guān)裝置，4 H橋和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的橫梁 H。另外，兩個(gè)IR2106S驅(qū)動(dòng)芯片作為自舉式電路的驅(qū)動(dòng)芯片，為上橋臂提供開(kāi)關(guān)控制的兩個(gè)[14]。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的 PWM信號(hào)輸出力不足以驅(qū)動(dòng)IR2106S，需要與芯片的驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路74ACT244配合，才能將 PWM信號(hào)輸出增強(qiáng)，然后再引入到IR2106S的輸入端。圖3中顯示驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.2 位姿信息獲取與處理模塊

多臂機(jī)器人機(jī)械手的模糊控制系統(tǒng)要求操作者在相機(jī)能夠接受的范圍內(nèi)，對(duì)環(huán)境的要求較高，同時(shí)圖像信號(hào)干擾會(huì)造成較大的識(shí)別誤差[15]。針對(duì)工程環(huán)境的特殊性和對(duì)耐磨性的要求，提出了一種基于模糊控制器的多臂機(jī)器人機(jī)械手控制方法。該方法使用方便，受環(huán)境影響小，可在有效范圍內(nèi)隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。姿態(tài)信息采集處理模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 姿態(tài)信息處理模塊硬件結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)，單片計(jì)算機(jī)能夠精準(zhǔn)計(jì)算姿態(tài)角及位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制。通過(guò)NRF24L01獲取操作人員的運(yùn)動(dòng)信息，NRF24L01能夠完成與 PC機(jī)通信的無(wú)線。求解姿態(tài)角時(shí)，人體固有的抖動(dòng)噪聲、隨機(jī)噪聲會(huì)對(duì)速度信號(hào)造成較大干擾，易引起信號(hào)誤差。這個(gè)系統(tǒng)將姿勢(shì)傳感器連接到肩、肘、腕3個(gè)關(guān)節(jié)，通過(guò)以上方法獲得關(guān)節(jié)角。采用肩坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)，可根據(jù)各關(guān)節(jié)的角度信息確定手腕的位置；以此信息為粗調(diào)控制信息，確定機(jī)械手的手臂動(dòng)作，確定固定姿態(tài)，完成機(jī)械手的精調(diào)。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 基于FuzzyP被控量振蕩抑制

由于液壓關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性和時(shí)變特性，傳統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié)參數(shù)無(wú)法在線改變，很難達(dá)到理想的控制效果。結(jié)合FuzzyP控制的思想，可提高系統(tǒng)的可控性。設(shè)計(jì) FuzzyP+ ID控制器時(shí)，在原 PID控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，只需調(diào)整一個(gè)附加參數(shù)，即有死區(qū)補(bǔ)償參數(shù)。它由常規(guī)積分控制、微分控制和模糊邏輯控制構(gòu)成，引入模糊控制，能夠提升系統(tǒng)魯棒性及自適應(yīng)性。

根據(jù)傳統(tǒng)的 PID控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)比例系數(shù)較大時(shí)，靜態(tài)誤差減小，但很容易造成閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定；K太小，系統(tǒng)的快速性無(wú)法滿足要求。通過(guò)對(duì)比例系數(shù)的在線模糊控制調(diào)整，克服了關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)固有的不新穎性和參數(shù)時(shí)變的影響，使系統(tǒng)在快速與穩(wěn)定之間找到了平衡點(diǎn)。整體控制能消除靜態(tài)誤差，但響應(yīng)速度較慢。微分控制可以加速控制過(guò)程，不但能夠及時(shí)地響應(yīng)偏差，而且能夠響應(yīng)偏差的變化。在抑制擾動(dòng)方面，采用4點(diǎn)中心差分方法實(shí)現(xiàn)微分項(xiàng)近似算法對(duì)擾動(dòng)不太敏感，參考以往和當(dāng)前采樣次數(shù)的偏差均值，即：

(1)

公式(1)中：ek、ek-1、ek-2、ek-3分別表示4個(gè)采樣中心點(diǎn)。

3.2 多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的多臂機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，關(guān)節(jié)式機(jī)器人的本質(zhì)是一個(gè)連桿系統(tǒng)，由多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)相連。在此基礎(chǔ)上，建立了各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，并利用坐標(biāo)系間的關(guān)系描述關(guān)節(jié)間的位置與姿態(tài)關(guān)系。

兩個(gè)原始坐標(biāo)系之間的關(guān)系可描述為規(guī)格不符齊次矩陣A。用A來(lái)表示第一個(gè)鏈接的構(gòu)成相對(duì)于參考坐標(biāo)系{0}，以此來(lái)表示表示第二個(gè)鏈接的構(gòu)成，然后用公式(2)來(lái)表示第二個(gè)鏈接的構(gòu)成關(guān)系：

T2=A1A2

(2)

多臂機(jī)操作機(jī)械手從手端到參考坐標(biāo)系的總位姿關(guān)系可表示為以下3種形式：

T6=A1A2A3A4A5A6

(3)

對(duì)單關(guān)節(jié)機(jī)械手，移除第一連桿、第一連桿、1-1連桿和1-1連桿，討建立了連桿i和連桿i-1的參考坐標(biāo)系分析兩者之間的位姿關(guān)系。

圖5顯示了連桿坐標(biāo)系的示意圖。

圖5 連桿坐標(biāo)系示意圖

從圖5可以看出，建立坐標(biāo)系{i}的方法是：將關(guān)節(jié)i-1的公法線與關(guān)節(jié)i的軸和關(guān)節(jié)i的軸的交點(diǎn)作為原點(diǎn)；zi軸沿關(guān)節(jié)i的軸向上；xi軸沿關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1的軸指向關(guān)節(jié)i+1;yi軸和xi軸；zi軸遵循右手法則。{i-1}和{i+1}坐標(biāo)系也可同樣獲得。在圖5中，hi表示連接i-1公法線與zi軸上連桿i之間的距離，而li表示連接i軸上連接i+1關(guān)節(jié)之間的距離；βi為xi-1軸變換到xi軸需繞Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度;αi為關(guān)節(jié)i與關(guān)節(jié)i+1的軸線在垂直與αi的平面內(nèi)的夾角。可以通過(guò)以下步驟從坐標(biāo)系{i-1}轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系{i}：

1)將坐標(biāo)系{i-1}繞Zi軸旋轉(zhuǎn)βi，使得xi-1與xi位于同一直線上;

2)將坐標(biāo)系{i-1}沿Zi移動(dòng)hi，使得xi-1與xi位于同一高度上;

3)將坐標(biāo)系{i-1}沿xi平移li-1，此時(shí)坐標(biāo)系{i-1}原點(diǎn)位于Zi上;

4)將坐標(biāo)系{i-1}繞xi軸旋轉(zhuǎn)αi-1，坐標(biāo)系重合。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在基于FuzzyP的多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，選取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)的重復(fù)點(diǎn)進(jìn)行位置運(yùn)動(dòng)位置精度測(cè)量，采用POLARIS光學(xué)導(dǎo)航儀作為測(cè)量工具，圖6為多臂機(jī)器人機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)圖。

圖6 多臂機(jī)器人機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)圖

將定位支架固定在多臂機(jī)器人機(jī)械臂末端，將導(dǎo)航儀位置作為機(jī)械臂末端測(cè)量點(diǎn)實(shí)際位置。

1)控制機(jī)械臂，使其運(yùn)動(dòng)到一個(gè)合適位置，保證導(dǎo)航儀對(duì)定位支架定位在0.01 mm誤差范圍內(nèi)，以此作為實(shí)驗(yàn)給定值，記錄此時(shí)定位支架下坐標(biāo)值。

2)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)一段距離后，主控計(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂回到原始位置，記錄到此時(shí)位置信息后，定位導(dǎo)航儀下坐標(biāo)值。

3)重復(fù)上述步驟，獲取多測(cè)量坐標(biāo)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

演示界面的通信模塊完成了界面與操作者實(shí)際操作手之間的通信。上行鏈路信息為腕部姿態(tài)信息，下位顯示界面為真實(shí)機(jī)械手傳遞指令信息，演示界面為串行通信。機(jī)械手控制器接收相應(yīng)關(guān)節(jié)的控制指令，給出各關(guān)節(jié)的位置信息。

該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式是保證每個(gè)關(guān)節(jié)相應(yīng)地增加相應(yīng)的度數(shù)，并以每個(gè)關(guān)節(jié)在控制指令中的位置作為變量來(lái)完成實(shí)際機(jī)械手各關(guān)節(jié)角度的變化。

為了方便實(shí)驗(yàn)分析，以非模態(tài)對(duì)話框作為顯示窗口，如表1所示。

表1 顯示窗口數(shù)據(jù)

顯示窗口將實(shí)時(shí)顯示每次機(jī)械臂末端坐標(biāo)和目的坐標(biāo)，保證發(fā)送的控制指令能夠全部被執(zhí)行。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)對(duì)象腕部、肘部和肩部固定傳感器后，移動(dòng)其手臂由位置A到位置B，分別使用基于姿態(tài)識(shí)別控制系統(tǒng)、基于位置識(shí)別控制系統(tǒng)和基于FuzzyP控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度展開(kāi)對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種系統(tǒng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度對(duì)比分析

由圖7可知：使用基于姿態(tài)識(shí)別控制系統(tǒng)從A到B坐標(biāo)變換與預(yù)期軌跡差別較大，整個(gè)軌跡運(yùn)行路線較短；基于位置識(shí)別控制系統(tǒng)從A到B坐標(biāo)變換與預(yù)期軌跡差別較大，尤其是在坐標(biāo)點(diǎn)為(820,23,345)時(shí)，差別最大；使用基于FuzzyP控制系統(tǒng)與預(yù)期軌跡基本一致，由此可知使用該系統(tǒng)機(jī)器人機(jī)械臂軌跡控制精度較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于FuzzyP的多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)是可行的，可以滿足中小型協(xié)同機(jī)器人對(duì)機(jī)械手的控制要求，并且具有控制精確，動(dòng)作靈活等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)添加H橋電路，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出機(jī)械手的力矩，達(dá)到力矩限制的目的，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的零力控制。該機(jī)械臂在力矩超過(guò)設(shè)定值時(shí)停止工作，避免對(duì)工作人員造成意外傷害。在此基礎(chǔ)上，完成了機(jī)械手姿態(tài)控制及系統(tǒng)演示界面的開(kāi)發(fā)，并在研究多臂機(jī)械手控制系統(tǒng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了模糊控制器的功能。

該研究還有很多地方需要改進(jìn)，例如還可以深入探討機(jī)械臂各部件的三維建模方法，以提高控制精度。未來(lái)也將以這一方向?yàn)檠芯磕繕?biāo)，進(jìn)一步完善多臂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)。