三自由度抓取機(jī)械手臂的復(fù)合模糊PID控制

王成寶，于少娟, 皇甫宇杰,祁曉陽

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

?

三自由度抓取機(jī)械手臂的復(fù)合模糊PID控制

王成寶，于少娟, 皇甫宇杰,祁曉陽

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

由于三自由度機(jī)械手能在三維空間中完成升降、平移、旋轉(zhuǎn)等基本指令，針對(duì)機(jī)械手臂在惡劣環(huán)境下的動(dòng)作靈活性和控制精確性等問題，設(shè)計(jì)出了一種用于智能清潔小車的機(jī)械手樣機(jī)硬件的三自由度抓取機(jī)械手臂，采用復(fù)合模糊PID控制以提高控制精度，使機(jī)械手臂可以達(dá)到準(zhǔn)確位置，通過精確夾持障礙物，達(dá)到清除路障的目的。在構(gòu)建三自由度結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)建摸的基礎(chǔ)上，利用人工智能經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)合理的模糊PID復(fù)合控制器，通過仿真及實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)方案的有效性，為機(jī)械手臂控制器的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

模糊PID控制；三自由度機(jī)械手臂；智能小車; 舵機(jī)

機(jī)械手臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化設(shè)備，是在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置。可以通過編程來完成許多復(fù)雜動(dòng)作，它的準(zhǔn)確性和多自由度，保證了其能在各種不同的環(huán)境中工作，機(jī)械手臂目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復(fù)性，無疲勞，不懼危險(xiǎn)，被廣泛運(yùn)用。近年來，智能清潔小車加裝機(jī)械手臂用以清除障礙也在進(jìn)一步研究中[1-5]。此應(yīng)用場(chǎng)合涉及動(dòng)作靈活和精確控制問題,部分國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)此也做出了論述,傳統(tǒng)單一的開環(huán)控制很難有好的效果,本文設(shè)計(jì)基于三自由度抓取機(jī)械手臂的智能清潔小車，并采用了模糊加PID的智能控制，加大了控制精度，使得小車可以準(zhǔn)確定位并清除障礙物，上位機(jī)采用單片機(jī)STC89C52型號(hào)，對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時(shí)設(shè)計(jì)了模糊控制規(guī)則與PID復(fù)合控制，通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明了復(fù)合控制的優(yōu)勢(shì)，以及在系統(tǒng)中應(yīng)用達(dá)到更高的精度，更好的效果[6-8]。為清潔小車機(jī)械手臂控制器真正走向?qū)嵱锰峁┝死碚撘罁?jù)。

圖1 三自由度機(jī)械手實(shí)物圖

Fig.1 Physical map of manipulator with three degrees of freedom

1 三自由度機(jī)械手臂數(shù)學(xué)建模

1.1 機(jī)械手臂的機(jī)械部件設(shè)計(jì)

手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)是機(jī)械手臂構(gòu)成的三大部分，其中手部是用于抓取物體，物體的尺寸、大小、形狀都需要匹配相對(duì)應(yīng)的機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)膴A取、托持和吸附，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過旋轉(zhuǎn)和評(píng)議達(dá)到使機(jī)械手到達(dá)指定位置的功能。整體系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性和精確性以及應(yīng)用場(chǎng)合和運(yùn)動(dòng)方式的自由度斗魚運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能有密切關(guān)系，當(dāng)自由度的維數(shù)越高，則機(jī)械手臂的功能越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越廣。

清潔小車機(jī)械手臂是一種利用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)并能夾持物體的機(jī)構(gòu)?？紤]到本課題設(shè)計(jì)的模型體積小，重量輕，且機(jī)械手臂安裝于車體頭部，為了防止車體前后不穩(wěn)，機(jī)械手臂的重量不能太大，故機(jī)械手的材料采用優(yōu)質(zhì)ABS工程塑料制造，抓取的物體最大直徑為5 cm，夾持器張開后長(zhǎng)度為85 cm，閉合后長(zhǎng)度為100 cm.舵機(jī)的產(chǎn)品規(guī)格如圖2所示。

圖2 舵機(jī)的主要性能參數(shù)圖

Fig.2 The main performance parameters of the actuator

1.2 機(jī)械手臂的數(shù)學(xué)模型

(1)

θi為從χi-1到χi繞zi軸旋轉(zhuǎn)的角度；

bi-1為zi-1到zi沿χi-1測(cè)量的距離；

αi-1為從zi-1到zi繞χi-1旋轉(zhuǎn)的角度；

di為從χi-1到χi沿zi軸測(cè)量的距離。

根據(jù)連桿的坐標(biāo)系以及相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)能直接推算出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式。并且坐標(biāo)系n相對(duì)于0的單個(gè)變換矩陣能夠根據(jù)全部相乘的連桿矩陣推算出來，為：

(2)

2 三自由度機(jī)械手臂控制器設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手臂控制器的硬件設(shè)計(jì)

選用STC89C51RC單片機(jī)作為上位機(jī)，其在應(yīng)用可編程IAP和在系統(tǒng)可編程ISP的特性可以方便進(jìn)行在線調(diào)試。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂通過一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制電路如圖3所示。所使用的單片機(jī)I/O口先接上拉電阻，然后直接與舵機(jī)的控制信號(hào)線連接即可。由于單片機(jī)I/O口提供的電流有限，無法驅(qū)動(dòng)機(jī)械手使用的舵機(jī)，所以通過上拉電阻，為舵機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。

舵機(jī)經(jīng)過PWM信號(hào)控制，舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20 ms，脈沖寬度為1 ms～2 ms，并且呈線性變化的脈寬調(diào)制信號(hào)，其相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為-90°～90°.

圖3 舵機(jī)的控制電路

Fig.3 Control circuit of the actuator

2.2 機(jī)械手臂的復(fù)合模糊PID算法

(3)

積分環(huán)節(jié)會(huì)造成積分誤差的疊加，引入積分分離就是在誤差過大時(shí)取消積分作用，當(dāng)在誤差允許的范圍內(nèi)則啟動(dòng)積分，這樣就可以消除很大一部分靜差，提高控制精度。對(duì)積分環(huán)節(jié)進(jìn)行離散化，則有：

(4)

模糊控制的專家經(jīng)驗(yàn)：

圖4 模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖

Fig.4 Fuzzy PID control structure diagram

3 機(jī)械手臂控制仿真實(shí)驗(yàn)

由于舵機(jī)的輸出角度與外界轉(zhuǎn)矩的變化無關(guān)，只有改變脈沖信號(hào)的寬度才可以改變它的位置。值得注意的是：由于舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間非常重要。減少時(shí)間有兩個(gè)方式：1)改變PWM周期能夠修改響應(yīng)時(shí)間，2)利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩余量來增大角度，從而使舵機(jī)的響應(yīng)速度加快。

3.1 機(jī)械手臂控制程序仿真

這里對(duì)三自由度一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行了仿真，在Proteus軟件中調(diào)用示波器插件，通過查看單片機(jī)輸出端口的波形和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，來觀察單片機(jī)的PWM輸出情況。

3.2 機(jī)械手臂控制器仿真

當(dāng)輸入為帶有高頻干擾的方波信號(hào)時(shí)，分別得控制器出經(jīng)典PID和復(fù)合模糊PID算法的仿真結(jié)果，如圖5所示。

把實(shí)驗(yàn)曲線加載到系統(tǒng)中的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖7和圖8中所示的波形分別與舵機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)，可看出控制器輸出的PWM信號(hào)滿足舵機(jī)工作必須的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5 舵機(jī)正轉(zhuǎn)仿真圖

Fig.5 Simulation chart of steering gear

圖6 舵機(jī)反轉(zhuǎn)仿真圖

Fig.6 Simulation chart of actuator reverse

圖7 經(jīng)典PID和模糊PID算法的仿真結(jié)果

Fig.7 Simulation results of the classical PID and Fuzzy PID

圖8 實(shí)驗(yàn)曲線加載到系統(tǒng)中的仿真結(jié)果

Fig.8 The simulation results of the experimental curves loaded into the system.

3.2 機(jī)械手臂控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，安裝有機(jī)械手臂的智能清障小車采用本課題設(shè)計(jì)的控制器從起始位置開始運(yùn)動(dòng)，如圖9所示，經(jīng)紅外遙控沿直線向放在A處的障礙物駛?cè)ァ?/p>

圖9 機(jī)械手臂測(cè)試裝置位于初始位置A點(diǎn)

Fig.9 The mechanical arm test device located at the initial position of the A point

傳感器檢測(cè)到障礙物并且機(jī)械手閉合，如圖10所示，當(dāng)安裝在機(jī)械手臂前端的點(diǎn)觸開關(guān)檢測(cè)到障礙物，機(jī)械手閉合夾持障礙物。

圖10 機(jī)械臂加持障礙物

Fig.10 The mechanical arm blessing obstacles

當(dāng)機(jī)械手夾持障礙物后，配合小車運(yùn)動(dòng)，直線行駛向B，如圖11所示。

圖11 機(jī)械臂將障礙物移至B點(diǎn)

Fig.11 The mechanical arm of the barrier to B

由此看出，該控制方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是有效的。

4 總 結(jié)

對(duì)清潔小車三自由度機(jī)械手臂的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用復(fù)合模糊PID控制，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)合理的控制器，并采用STC89C52單片機(jī)做為系統(tǒng)控制核心，設(shè)計(jì)了其硬件電路及軟件程序。通過控制舵機(jī)的扭矩，從而控制機(jī)械手夾持障礙物，配合小車運(yùn)動(dòng)，達(dá)到清除障礙物的目的。通過仿真和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了技術(shù)方案的正確性和可行性，為現(xiàn)實(shí)生活中抓取機(jī)械手臂的生產(chǎn)，控制，研發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[1] 周二振，王鈺.基于SimMechanics的六自由度機(jī)械臂軌跡規(guī)劃研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào),2014(4):18-22.

[2] 張新榮，平昭琪. 基于Udwadia和Kalaba方程的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào),2014(1)：115-119.

[3] 吳學(xué)禮，劉浩南，許晴.機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014(4)：361-365.

[4] 王鳴.基于模糊控制理論的一種PID參數(shù)自整定 控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].自動(dòng)化與儀器儀表, 2000,31(1)：14-17.

[5] 潘磊，錢煒. 四自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及Matlab仿真[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2013，32(3)：421-425.

[6] LIU YUN-HUI, HIRZINGER G, AKELLA P. Dynamic sliding PID control for tracking of robot manipulators：theory and experiments[J]. Robotics and Automation, IEEE Transactions on. 2003, 19(6)：967-976..

[7] PENG W, LIN Z, SU J. Computed torque control based composite nonlinear feedback controller for robot manipulators with bounded torques [J]. Control Theory & Applications, IET. 2009, 3(6)：701-711.

[8] 兗文宇,于少娟,郭志堅(jiān).SPWM逆變器復(fù)合控制策略研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013,34(6):410-414.

Compound Fuzzy-PID Controller of Robotic Grab Arm with Three Degrees of Freedom

WANG Cheng-bao, YU Shao-juan , HUANGFU Yu-jie, QI Xiao-yang

(College of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology Taiyuan, China 030024)

Due to the three degree of freedom manipulator can complete the lifting, translation, rotation and other basic instructions in three-dimensional space, for the problem of flexibility and accuracy of mechanical arm in the harsh environment, a robotic grab arm with three degrees of freedom used for intelligent cleaning trolley is designed, which adopted compound fuzzy-PID control to improve control precision, so that the mechanical arm can reach the accurate position, and the goal of removing the barrier is achieved by accurately holding the obstacles. A well-constructed Fuzzy-PID controller is designed by using experience of artificial intelligence on the basis of the three degree of freedom structure and mathematical model. The validity of the technical scheme is verified by the simulation and the physical model experiment, which provides a theoretical basis for the practical application of the robot arm controller.

fuzzy-PID control, three degrees of freedom mechanical arm, intelligent cleaning trolley, steering gear

1673-2057(2016)06-0419-06

2016-01-25

省級(jí)UIT項(xiàng)目(2014287)；山西省高校教改項(xiàng)目(J2011130) ; 山西省高校教改項(xiàng)目(J2013064)，校研究生教改項(xiàng)目(20144009)

王成寶(1993-)，男，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。通信作者：于少娟教授，E-mail:13303413533@189.cn

TM461

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.001