基于模糊控制的機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

滕 冠 劉 恒

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

基于模糊控制的機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

滕 冠 劉 恒

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

文章針對傳統(tǒng)機械臂操作過程中存在的問題，設(shè)計一種解決機械手操作的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)機械手操作過程中靈活多樣的軌跡路線和操作動作的應(yīng)用需求。實現(xiàn)對機械手操作過程的精確控制，并能夠根據(jù)機械手操作過程中所處的位置以及操作運動軌跡，實時的調(diào)整機械手的運動路線。

模糊控制；機械臂；路徑規(guī)劃

1 前言

2 設(shè)計思想

目前在現(xiàn)代化的工業(yè)制造領(lǐng)域，對機械手有著非常強大的應(yīng)用需求。同時隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，對機械手操控的靈活性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的機械手控制方法相對較為簡單，最為典型的是通過在機械手的控制端預(yù)先設(shè)定控制程序，讓機械手按照預(yù)先設(shè)定的運動模式進行操作控制。這種控制方式在裝配和運行過程中控制的精度不高，而且隨著機械手頻繁的動作，可能會逐漸產(chǎn)生操作誤差。由于這種控制方式在操作過程中，并沒有對操作誤差進行管理和控制，因此誤差將會不斷的被累計，最終使得機械手在操作過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差，甚至誤操作。雖然目前隨著計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，在機械手控制應(yīng)用中逐步引入了一些自動化的控制方式，但總體上對機械手的控制方法和實現(xiàn)技術(shù)都難以滿足目前對機械手靈活控制的應(yīng)用需求。為了解決機械手的靈活控制問題，本文采用模擬仿真學(xué)的原理，在機械手上安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，通過視頻監(jiān)控設(shè)備采集機械手運動過程中的實時圖像，對機械手的運動軌跡及運動位置進行精確的定位。將定位之后的結(jié)果由機械手控制裝置，計算出機械手的實際運動位置，并與機械手初始的運動軌跡規(guī)劃的結(jié)果進行對比，實現(xiàn)對機械手運動過程的精確控制。

模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。1965年由美國人L.A.Zadeh提出理論定義和基本架構(gòu)，1974年，由英國人E.H.Mamdani通過模糊控制語句組成模糊控制器。模糊控制實質(zhì)上是一種非線性控制，它既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應(yīng)用背景，已經(jīng)成為自動控制領(lǐng)域一個重要分支，PID控制器是目前應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域自動控制的非常重要的一個裝置。本文引入的PID控制器包含了三種不同的控制方式，分別是比例控制器、積分控制器和微分控制器。應(yīng)用PID控制器對被控系統(tǒng)實施控制的參數(shù)進行測量，計算當(dāng)前控制的誤差，在通過PID控制器內(nèi)部三個不同的控制裝置實現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)的靈活控制目的，在PID內(nèi)部的控制器中通過比例控制單元可以實現(xiàn)輸出誤差和控制給定量之間的線性變化關(guān)系，而通過積分控制器則可以實現(xiàn)對過去累計一段時間內(nèi)的誤差和給定量之間的控制關(guān)系的調(diào)節(jié)。利用微分控制器則可以預(yù)測出控制器未來可能的變化趨勢，提前通過調(diào)節(jié)給定量實現(xiàn)PID控制器對機械臂的精確控制。

3 系統(tǒng)組成

本文提出的機械臂設(shè)計方案是以視頻采集技術(shù)與模糊控制技術(shù)相結(jié)合的一種機械手控制方案。其對機械手控制過程中，首先通過視頻采集設(shè)備獲取機械手的精確位置，并將所獲取的機械手運動過程坐標(biāo)信息與機械手預(yù)先計算的初始路徑規(guī)劃坐標(biāo)信息匹配，得到機械手在運動過程中的運動誤差，由模糊控制器將運動誤差做為輸入信號，實現(xiàn)對機械手運動環(huán)節(jié)的微調(diào)。整個機械手的控制系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對運動過程持續(xù)不斷的精確調(diào)整。根據(jù)實踐需要，該系統(tǒng)內(nèi)部包括視頻采集模塊、圖像處理模塊、機械手運動定位點匹配模塊、運動差異計算模塊、模糊控制器機械手運動驅(qū)動器、路徑規(guī)劃模塊和運動目標(biāo)位置輸入模塊等部分組成（如圖1所示）。

圖1 機械手控制系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，該系統(tǒng)是通過在機械手主要運動部件上安裝攝像頭，通過攝像頭實時采集機械手運動過程中的視頻圖像信息，通過對視頻圖像的分析和處理，實現(xiàn)對機械手運動位置的精確定位。計算機械手的運動軌跡以及運動過程中所處的位置，與預(yù)先設(shè)定的軌跡路線是否一致。將運動過程中產(chǎn)生的運動軌跡差值送入模糊控制器中，由模糊控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊控制規(guī)則，對機械手運動軌跡做出模糊控制輸出結(jié)果。并將控制結(jié)果送入機械手的運動驅(qū)動裝置，調(diào)整機械手的運動方式，并改變機械手的運動軌跡路徑，使得機械手的運動軌跡和運動所達到的目標(biāo)位置與預(yù)期一致。利用這種基于視頻圖像的采集、分析和處理做為機械手的控制前提條件，設(shè)定模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)對機械手的運動過程的精確控制。

模糊控制器是系統(tǒng)的一個核心功能模塊。其目的是實現(xiàn)對機械手運動過程中產(chǎn)生的誤差進行處理，根據(jù)運動過程的差值輸出機械手運動控制修正信號，將模糊控制器的模糊控制表如表1、表2所示。使用模糊控制器作為控制系統(tǒng)的核心部件，既能夠?qū)崿F(xiàn)對機械手運動過程的精確控制，同時又利用模糊控制器自有的模糊特性，能夠很好的適應(yīng)不同應(yīng)用場景，不同結(jié)構(gòu)特點的機械手在運動過程中的控制要求。

表1 運動速度模糊控制表

表2 運動角度模糊控制表

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

在機械手運動過程中，首先接受外部輸入的機械手運動目標(biāo)位置，并由控制系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃模塊，計算出機械手預(yù)期的運動軌跡和運動過程。在計算機械手的初始運動軌跡規(guī)劃時，還需要判定機械手是否處于初始的位置。如果是處于初始的位置，則直接從初始位置計算到目標(biāo)位置的運動軌跡。如果機械手不是處于初始的位置，則通過視頻采集設(shè)備獲取機械手當(dāng)前所處的位置坐標(biāo)，計算出機械手在當(dāng)前的初始位置，并計算出從當(dāng)前位置的目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃。

其次，機械手根據(jù)計算得到的路徑規(guī)劃結(jié)果，對機械手的模糊控制器發(fā)出控制指令，并通過模糊控制器將控制命令及驅(qū)動信號發(fā)送至機械手的運動控制裝置，實現(xiàn)對機械手的運動驅(qū)動過程。最后，在機械手運行過程中，由視頻采集裝置實時的采集機械手的運動狀況，獲取機械手在不同時刻所處的位置，并將其所采集到的圖像經(jīng)過圖像處理，提取圖像中的定位信號，將機械手的定位信號與路徑規(guī)劃的參考位置進行匹配，計算出運動過程中的運動差值。由機械手運動過程中的中間差值輸入至模糊控制器，讓模糊控制器根據(jù)機械手在不同時刻的運動狀態(tài)，和運動過程中所產(chǎn)生的運動差值，產(chǎn)生相應(yīng)的機械手運動控制信號，驅(qū)動機械手逐步實現(xiàn)精確的運動控制目的。

為了能夠全面理解機械手典型的運動過程控制方法，下面對其具體流程進行詳細描述（如圖2所示）：

第一步：用戶確定機械手需要運動的目標(biāo)位置，并將機械手的運動目標(biāo)位置輸入至機械手控制系統(tǒng)。機械手控制系統(tǒng)判斷當(dāng)前機械手所處的位置，如果當(dāng)前機械手所處的位置為初始，則在進行路徑規(guī)劃時，機械手的起點位置為系統(tǒng)的初始位置。如果機械手的位置不是為初始位置，則通過視頻采集設(shè)備獲取機械手當(dāng)前所處的位置，并得到機械手各運動節(jié)點的三維坐標(biāo)值。

第二步：機械手控制系統(tǒng)運動內(nèi)部集成的路徑規(guī)劃模塊，對計算從起始位置坐標(biāo)到運動目標(biāo)位置坐標(biāo)之間的路徑，給出機械手在運動過程中各運動關(guān)節(jié)的全時段控制信號，以及各個運動關(guān)節(jié)在達到目標(biāo)位置時，其各個關(guān)節(jié)節(jié)點的預(yù)期終至狀態(tài)值，如各個關(guān)節(jié)的運動角度等信息。

第三步：機械手運動控制系統(tǒng)從路徑規(guī)劃的結(jié)果，提取機械手各個關(guān)節(jié)節(jié)點在不同時刻的運動控制信號，輸入至機械手模糊控制器，并通過模糊控制器獲取機械手的運動驅(qū)動信息，驅(qū)動機械手開始運動。

第四步：啟動機械手上面自帶的視頻采集設(shè)備，并通過圖像處理獲取機械手各主要關(guān)節(jié)節(jié)點的位置及坐標(biāo)信息。

第五步：獲取圖像中的定位點的坐標(biāo)值，并由機械手的控制系統(tǒng)計算當(dāng)前的機械手運動坐標(biāo)值與路徑規(guī)劃中的運動坐標(biāo)值之間的差值。將機械手運動過程中的定位坐標(biāo)值的差值輸入至模糊控制器，由模糊控制器產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動機械手各關(guān)節(jié)節(jié)點，進行運動控制信號的調(diào)整。

第六步：機械手運動控制信號驅(qū)動機械手繼續(xù)運動，并在運動過程中由視頻采集設(shè)備不斷的對機械手的運動過程進行監(jiān)控，并將監(jiān)控的結(jié)果產(chǎn)生機械手運動過程的運動控制調(diào)整信號。當(dāng)機械手運動達到預(yù)定的目標(biāo)位置時，由視頻采集設(shè)備獲取機械手各主要關(guān)節(jié)點的定位坐標(biāo)值，并將該坐標(biāo)值與路徑規(guī)劃中的坐標(biāo)值進行匹配。如果二者之間的差值小于預(yù)先設(shè)定的范圍，則向機械手運動控制裝置發(fā)出運動終至的信號，機械手停止運動，完成機械手運動過程的控制任務(wù)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計的機械手控制系統(tǒng)在進行控制過程中，通過視頻攝像頭實時的采集機械手的運動位置和運動軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)對機械手運動過程精確的監(jiān)測，為機械手后續(xù)的控制任務(wù)提供了準(zhǔn)確的信息。系統(tǒng)具有很好的實時性，從視頻圖像的采集到機械手運動過程控制是一個閉環(huán)系統(tǒng)，能夠在機械手運動過程中，實時的進行采集與控制，能夠具備較高的控制精度，也能夠及時的發(fā)現(xiàn)機械手在運動過程中產(chǎn)生的各種較大的運動誤差，并及時做出調(diào)整，做到機械手運動的全過程，都與預(yù)期規(guī)劃的路徑相一致。利用視頻采集設(shè)備與模糊控制器的相互配合，以一種仿真的設(shè)計思路模擬了機械手的真實運動控制過程，而且通過對視頻采集設(shè)備和模糊控制器的性能提升，大大提高了機械手運動控制靈活性和精度。

圖2 機械手典型運動過程控制流程

[1] 陳益飛.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制研究與仿真[J].計算機仿真,2011,(4):212-215.

[2] 劉恒.數(shù)控曲面切割路徑生成算法研究[J].制造業(yè)自動化, 2010,(12):65-67.

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[4] 張義,左為恒,林濤.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機仿真,2011,(4):149-151.

Design and implementation of manipulator control system based on fuzzy control

The traditional process of manipulator operation problems to design a control system to solve the robot operation, the system is able to adapt to the needs of the application of mechanical processes-handed operation and flexible operation of the trajectory line operation. Accurate control of the hand operated mechanical process, and the process can be according to the mechanical operation of the hand as well as the location of the operating trajectory, real-time adjustment of the robot motion path.

Fuzzy control; manipulator; path planning

TP241

A

1008-1151(2015)01-0085-03

2014-12-12

2013年廣西教育廳科研項目“基于嵌入式的機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計”（2013YB353）。

滕冠（1973－），男，廣西陸川人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，從事機電一體化方向研究；劉恒 （1975－），男，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，從事機電一體化方向研究。