傅彩虹

（江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，無(wú)錫 214151）

機(jī)器人是一種非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變多以及輸入多的輸出系統(tǒng)[1]。因?yàn)橄到y(tǒng)本身具有一定的復(fù)雜性，所以設(shè)計(jì)其控制器具有一定的挑戰(zhàn)性。實(shí)際情況中存在一系列不確定因素，導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)很難獲得精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)模型，以模型為基礎(chǔ)的非線性控制應(yīng)用效果不是很理想。傳統(tǒng)控制策略需要對(duì)機(jī)器人非線性系統(tǒng)提出線性假設(shè)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度和控制穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)于處理不確定的擾動(dòng)具有一定效用，所以研究機(jī)械臂的自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于優(yōu)化機(jī)械臂控制效果具有積極作用。

1 擾動(dòng)觀測(cè)器概述

目前，擾動(dòng)觀測(cè)器在很多非線性系統(tǒng)不確定擾動(dòng)處理中具有很好的應(yīng)用效果，可借助擾動(dòng)觀測(cè)器解決機(jī)器人系統(tǒng)的摩擦力補(bǔ)償問題。一些學(xué)者在研究中設(shè)計(jì)了基于擾動(dòng)觀測(cè)器的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，以應(yīng)對(duì)機(jī)器人控制中的時(shí)滯效應(yīng)。在控制器設(shè)計(jì)中，忽略未知擾動(dòng)到來(lái)的干擾，會(huì)對(duì)機(jī)械臂的跟蹤精度產(chǎn)生不良影響。目前，研究結(jié)合非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器的成果較少。

近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法和傳統(tǒng)自適應(yīng)控制對(duì)于解決有線性參數(shù)的不確定非線性系統(tǒng)問題有一定作用，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很難處理包含非參數(shù)系統(tǒng)的不確定性[2]。所以，結(jié)合自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和擾動(dòng)觀測(cè)器解決系統(tǒng)模型未知部分和系統(tǒng)未知擾動(dòng)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)不確定模型的基本操作，結(jié)合相應(yīng)自適應(yīng)率，驗(yàn)證閉環(huán)系統(tǒng)誤差信號(hào)半全局一致有界[3]。通過(guò)跟蹤控制算法和機(jī)器人仿真應(yīng)用，并借助計(jì)算機(jī)提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置補(bǔ)償量。計(jì)算機(jī)借助用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議接收信息并產(chǎn)生機(jī)器人控制信號(hào)，提升了系統(tǒng)的運(yùn)算能力和響應(yīng)能力，可在實(shí)驗(yàn)對(duì)比中驗(yàn)證控制算法的有效性。

2 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的機(jī)械臂自適應(yīng)復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，選擇底盤四輪獨(dú)立縱臂懸掛方式，確保相應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪能夠在機(jī)器人的多環(huán)境移動(dòng)中始終保持和地面的充分接觸。在機(jī)器人行進(jìn)路線設(shè)計(jì)中，應(yīng)用慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和Kinect融合算法確保機(jī)器行駛路線精準(zhǔn)，保證機(jī)器人移動(dòng)方向準(zhǔn)確，做好距離控制[4]。機(jī)器人設(shè)計(jì)中，利用激光雷達(dá)進(jìn)行定位，為機(jī)器人提供導(dǎo)航服務(wù)。將機(jī)器人與計(jì)算機(jī)對(duì)接，借助計(jì)算機(jī)中央處理器控制機(jī)器人的行進(jìn)速度，以有效緩解設(shè)備在機(jī)器人上的負(fù)載，使機(jī)器人能夠輕松工作。系統(tǒng)電機(jī)全部加入速度環(huán)和電流環(huán)，以保證速度誤差和機(jī)器人功率控制效果。在點(diǎn)位電機(jī)中設(shè)置位置環(huán)，確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向。機(jī)器人底盤四輪和四面之間需保持一定的距離，以提升設(shè)備前進(jìn)的穩(wěn)定性。4個(gè)底盤控制都應(yīng)以模糊控制系統(tǒng)為主，實(shí)現(xiàn)對(duì)四輪轉(zhuǎn)速速率的有效控制，防止機(jī)器人在前進(jìn)中不按要求走直線或者不按要求轉(zhuǎn)向[5]。圖1為設(shè)計(jì)的機(jī)器人自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機(jī)器人自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖

具體控制包含眾多控制設(shè)備和通信模塊，不僅可以有效檢測(cè)機(jī)器人的控制效果，還能確保實(shí)現(xiàn)集中控制。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，主要以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為主控單元，以相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備、運(yùn)行等全流程控制。啟動(dòng)控制系統(tǒng)前，需在集控臺(tái)發(fā)布信息。若現(xiàn)場(chǎng)情況滿足啟動(dòng)需要，則自動(dòng)啟動(dòng)。系統(tǒng)控制中以自動(dòng)控制為主，相關(guān)設(shè)備工藝要求順序以及流程對(duì)中央控制臺(tái)進(jìn)行啟停操作。系統(tǒng)控制也設(shè)置有手動(dòng)控制模式，以確保中央控制臺(tái)對(duì)設(shè)備的控制，避免出現(xiàn)閉鎖情況。系統(tǒng)需要做好對(duì)機(jī)器人的集中監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和及時(shí)處理異常信號(hào)的報(bào)警。在該機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用輸入/輸出（Input/Output，I/O）控制系統(tǒng)在故障診斷系統(tǒng)中增設(shè)主控計(jì)算機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)以太網(wǎng)接口和主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信操作，并借助主控計(jì)算機(jī)及時(shí)發(fā)送相關(guān)控制信號(hào)，做好現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操控[6]。

前端設(shè)備數(shù)據(jù)采集對(duì)于系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)意義重大。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的設(shè)備有4個(gè)。4個(gè)信號(hào)采集設(shè)備與一體化設(shè)備中的電器設(shè)備連接，完成二級(jí)分布式控制系統(tǒng)的構(gòu)建[7]。當(dāng)機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)將故障信號(hào)和設(shè)備故障名稱傳輸?shù)焦收显\斷計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的故障診斷程序。計(jì)算機(jī)判斷故障范圍，確定維修步驟和方案，結(jié)合系統(tǒng)提示開展故障分析，借助電纜連接需要檢測(cè)的故障設(shè)備和前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將信號(hào)和故障診斷計(jì)算機(jī)連接。這樣系統(tǒng)輸入監(jiān)測(cè)設(shè)備號(hào)后，就可以模擬信號(hào)輸入和輸出，分析處理測(cè)量結(jié)果，確定故障所在位置，并按照系統(tǒng)提示做好必要的板級(jí)調(diào)換。

3 機(jī)械臂自適應(yīng)避障控制設(shè)計(jì)思路

機(jī)械臂避障規(guī)劃設(shè)計(jì)需要判斷末端執(zhí)行器是否和工件、其他工件部位等障礙物存在碰撞，需要兼顧小臂、大臂和相關(guān)障礙物不會(huì)發(fā)生碰撞。所以，在直角坐標(biāo)系中，需要考慮末端執(zhí)行器和障礙物之間的空間關(guān)系，并且將關(guān)節(jié)連桿和障礙物碰撞關(guān)系考慮在內(nèi)。根據(jù)以上的分析，機(jī)器人避障路徑規(guī)劃可以分成兩種不同的形式——一種是W-空間，另一種是C-空間[8]。前者的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)來(lái)說(shuō)比較直觀，運(yùn)動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)，但是存在機(jī)械臂的各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂按照原定的軌跡來(lái)運(yùn)動(dòng)問題。后者的機(jī)械臂位置和C-空間能夠一一對(duì)應(yīng)，使得機(jī)械臂的各個(gè)點(diǎn)能夠與C-空間中的點(diǎn)對(duì)應(yīng)。在行進(jìn)過(guò)程中，相關(guān)的障礙物能夠映射到空間，C-空間機(jī)械臂和障礙物之間就不會(huì)發(fā)生碰撞。這種機(jī)械臂避障模式的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)突出，能夠描述整個(gè)C-空間，保證相關(guān)障礙空間和機(jī)械臂自由空間清晰顯示，方便在空間中找到有效的避障路徑，從而快速找到最優(yōu)路徑。這種避障算法靈活度好，在改變初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)位置時(shí)，無(wú)須重新進(jìn)行C-空間構(gòu)建，因此在C-空間構(gòu)建基礎(chǔ)上可以使用其他性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

在設(shè)計(jì)機(jī)械臂避障中，要保證機(jī)械臂能夠自動(dòng)識(shí)別和規(guī)避障礙?？梢詰?yīng)用機(jī)械臂末端檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)械臂的具體工作范圍，并得出具體的安全范圍，再進(jìn)行具體的機(jī)械臂安全范圍計(jì)算，計(jì)算后將相關(guān)的計(jì)算結(jié)果通過(guò)傳輸?shù)竭_(dá)控制模塊，并根據(jù)牽張反射的基本工作原理準(zhǔn)確檢測(cè)肌肉長(zhǎng)度，確定肌肉長(zhǎng)度后對(duì)照機(jī)械臂的安全工作范圍進(jìn)行調(diào)整，確保設(shè)定的具體安全工作范圍滿足實(shí)際的工作需要。具體的調(diào)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過(guò)計(jì)算起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的距離來(lái)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的有效角度。在上述調(diào)節(jié)完成后，需要針對(duì)機(jī)械臂的具體運(yùn)動(dòng)軌跡采取分段，保證機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)有效切換，提升機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)靈活性，保證在安全范圍內(nèi)完成工作任務(wù)。

機(jī)械臂作為一種能夠模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能的機(jī)械化設(shè)備，能夠按照固定程序抓取、搬運(yùn)物件或者操作工具。機(jī)械臂的所有工作都可以通過(guò)編程來(lái)完成，非常方便。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械臂避障控制是機(jī)械臂工作的必備技能?；跀_動(dòng)觀測(cè)器進(jìn)行機(jī)械臂自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)，需要把握有效的避障路徑優(yōu)化，可以確保設(shè)備安全，提升整體設(shè)備的控制效能。