基于Sysmac控制平臺(tái)的冰壺機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：針對(duì)冰壺運(yùn)動(dòng)在群眾中認(rèn)知度底、相關(guān)理論研究滯后等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了易于搭建、富有研究性的冰壺機(jī)器人。首先對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了建模，研究了冰壺機(jī)器人位置正、反解算法，分析了冰壺間的碰撞關(guān)系。利用Sysmac平臺(tái)搭建了冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，研究了運(yùn)動(dòng)控制程序及擊打策略，通過(guò)3D仿真環(huán)境測(cè)試了設(shè)計(jì)的可行性，為進(jìn)一步研究智能算法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冰壺機(jī)器人；Sysmac；運(yùn)動(dòng)控制；3D仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.113

0 引言

冰壺運(yùn)動(dòng)起源于蘇格蘭，是一項(xiàng)技巧、智慧、個(gè)人和團(tuán)體相結(jié)合、策略性較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)，距今已有500多年的歷史。我國(guó)開(kāi)展這項(xiàng)活動(dòng)的時(shí)間不長(zhǎng)，但是近二十年時(shí)間取得了不少優(yōu)異的成績(jī)，2022年北京冬奧會(huì)為這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的契機(jī)[1]。但是，還存在群眾認(rèn)知度低、后備人才短缺、基礎(chǔ)建設(shè)落后等問(wèn)題，人才的短缺是最緊迫的問(wèn)題。為了一定程度上解決人才缺乏、社會(huì)認(rèn)知度低、科學(xué)研究缺乏等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Sysmac控制平臺(tái)的冰壺機(jī)器人，首先對(duì)冰壺機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，初步研究了冰壺機(jī)器人控制程序及算法策略，最后進(jìn)行了算法仿真調(diào)試，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)戰(zhàn)、機(jī)機(jī)對(duì)戰(zhàn)做好前期工作。

1 冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 位置的正、反解

冰壺又稱為冰球，以最終場(chǎng)上冰球與圓心的距離遠(yuǎn)近來(lái)計(jì)算分?jǐn)?shù)高低，十分講究策略和智慧。本冰壺機(jī)器人平臺(tái)為了方便研究算法設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖1的簡(jiǎn)化的平臺(tái)，冰壺用模擬的圓柱體小球替代，對(duì)弈雙方可以是人-機(jī)，或者機(jī)-機(jī)，雙方根據(jù)視覺(jué)傳感器返回的小球的位置采用不同的策略進(jìn)行對(duì)戰(zhàn)。如果要控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，需要分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、反解[2]。

冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是要求已知兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度推算出機(jī)器人末端的坐標(biāo)位置，機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中左側(cè)伺服電機(jī)角度、右側(cè)伺服電機(jī)角度、主臂為、從臂為、兩軸間距、平動(dòng)盤(pán)長(zhǎng)度，需要求解機(jī)器人末端位置。

若將C點(diǎn)右移，D點(diǎn)左移，兩圓相交于點(diǎn)G，則利用上述（1）、（2）兩式聯(lián)立求解，可得，此為冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解反之，已知機(jī)器人末端位置，主臂、從臂、兩軸間距、平動(dòng)盤(pán)長(zhǎng)度，反推左右兩個(gè)伺服電機(jī)的角度、，稱之為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解[3]，這里不再贅述。根據(jù)正反解的算法，在Sysmac平臺(tái)中構(gòu)建冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正、反解功能塊，只需要輸入預(yù)設(shè)的坐標(biāo)值，系統(tǒng)便可以進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。

1.2 冰壺碰撞分析

冰壺?fù)舸驎r(shí)兩球之間、球與球場(chǎng)之間會(huì)存在碰撞、反彈等物理運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)一步分析。其中碰撞有完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞和彈性碰撞三種，這里將模型簡(jiǎn)化，默認(rèn)冰壺之間的碰撞遵守動(dòng)量守恒定律，則只存在完全彈性碰撞。如圖3所示，球速度為V，質(zhì)量為m1，球速度為U，質(zhì)量為m2，半徑均為r。在t時(shí)刻兩球碰撞，設(shè)兩球球心連線O1O2為軸，過(guò)兩球切點(diǎn)且垂直于軸的為軸，碰撞后球O1速度為，球O2速度為。

如果球O1和O2之間是對(duì)心正碰，即兩球的速度V和U在同一直線上，碰撞后交換速度：，。

如圖4所示，如果冰壺撞擊球場(chǎng)邊框，小球就會(huì)反彈，如果視邊框質(zhì)量無(wú)窮大，碰撞邊框?yàn)檩S，其在垂直邊框方向的速度反向，則速度變?yōu)椋?/p>

2 Sysmac控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 Sysmac控制平臺(tái)簡(jiǎn)介

Sysmac控制平臺(tái)是歐姆龍公司新一代集運(yùn)動(dòng)控制、邏輯編譯、視覺(jué)分析為一體的自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有高速度、高精度和高可靠性等特點(diǎn)[4]。該平臺(tái)關(guān)注于自動(dòng)化設(shè)備的一體化連接性能，由四部分組成，分別是集成順序邏輯、運(yùn)動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)通信功能的機(jī)械自動(dòng)化控制器NJ，整合運(yùn)動(dòng)、序列、驅(qū)動(dòng)和視覺(jué)傳感、編程和仿真的Sysmac studio軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)等信號(hào)高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制器EtherCAT，和可對(duì)整條生產(chǎn)線或者智能工廠實(shí)現(xiàn)控制協(xié)議的工業(yè)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)EtherNet/IP。

2.2 運(yùn)動(dòng)軸組的建立

冰壺機(jī)器人通過(guò)左右兩個(gè)伺服電機(jī)來(lái)控制前端的平動(dòng)盤(pán)沿著X-Y平面運(yùn)動(dòng)，這里采用Sysmac studio軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服軸的配置。首先在運(yùn)動(dòng)控制設(shè)置里添加兩根并聯(lián)的伺服運(yùn)動(dòng)軸MC_Axis000和MC_Axis001，分別為機(jī)器人的左右電機(jī)，然后如圖5所示，分別進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置、單位換算設(shè)置、軸操作設(shè)置等，最后將它們配置成的一個(gè)軸組MC_Group000。

2.3 FB模塊設(shè)計(jì)

Sysmac平臺(tái)使用一個(gè)Sysmac studio軟件即可對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行一體化編程，該軟件基于國(guó)際IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，提供了包含程序、功能和功能塊的POU編程環(huán)境。不同于以往的梯形圖編程環(huán)境，這種豐富的編程方式可以使程序更加條理化、易讀易維護(hù)化，由于冰壺機(jī)器人需要輸入的參數(shù)比較多，設(shè)計(jì)了如圖6所示的FB功能塊，通過(guò)集成化的功能塊實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)輸入、多數(shù)據(jù)輸出，僅需一個(gè)軟元件即可啟動(dòng)程序。通過(guò)該FB可對(duì)冰壺機(jī)器人控制系統(tǒng)的球的參數(shù)、球的位置、場(chǎng)地環(huán)境等進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)輸出目標(biāo)位置和初速度等關(guān)鍵信息。

2.4 仿真環(huán)境搭建

Sysmac studio提供了完善的程序調(diào)試和仿真功能，支持運(yùn)動(dòng)模擬仿真，可以以2D或3D形式顯示跟蹤的數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)動(dòng)的軌跡。如圖7在“數(shù)據(jù)跟蹤設(shè)置--右鍵添加--單擊數(shù)據(jù)跟蹤”即可添加一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目。如圖8所示即可進(jìn)行跟蹤類(lèi)型、采樣間隔、后觸發(fā)速度比率、觸發(fā)條件等設(shè)置，點(diǎn)擊加載3D模型可以加載冰壺機(jī)器人3D模型，而冰壺機(jī)器人可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正交機(jī)械手，之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真可以觀察各軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和仿真圖像。

3 冰壺機(jī)器人程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

3.1 運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

冰壺機(jī)器人的控制程序主要是對(duì)Sysmac stduio中配置的兩個(gè)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，利用內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制模塊MC（Motion Control Function Module）以及梯形圖與ST語(yǔ)言相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)[5]。首先使用MC_Power指令對(duì)各軸進(jìn)行伺服鎖定，接著使用MC_Home指令將各軸回原點(diǎn)，最后啟用軸組指令MC_GroupEnable將MC_Group000設(shè)置為有效。冰壺機(jī)器人兩軸組成的軸組可以調(diào)用內(nèi)置的直線插補(bǔ)指令MC_MoveLinear來(lái)實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)的位移，只需要輸入軸組、位置、速度、加速度等變量，其中位置、速度加速度參數(shù)可以由自編的ST算法語(yǔ)言計(jì)算得出。endprint

3.2 球場(chǎng)局勢(shì)檢測(cè)

冰壺機(jī)器人需要對(duì)場(chǎng)上敵我雙方球的數(shù)量和位置實(shí)時(shí)檢測(cè)，通常的做法是采用視覺(jué)傳感器捕捉場(chǎng)內(nèi)小球的球心坐標(biāo)，本系統(tǒng)由于先期采用模擬仿真的方式開(kāi)發(fā)，故而場(chǎng)上的球均用系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬運(yùn)動(dòng)軸組來(lái)替代，通過(guò)輸入相關(guān)坐標(biāo)信息來(lái)仿真實(shí)際環(huán)境，驗(yàn)證擊球算法。這里假設(shè)本方球最多有四個(gè)，對(duì)方最多也是四個(gè)，通過(guò)檢測(cè)球的X，Y坐標(biāo)值是否在球場(chǎng)內(nèi)可以判斷場(chǎng)上是否有球，再統(tǒng)計(jì)場(chǎng)上本方和對(duì)方球的數(shù)量和位置可以進(jìn)行球場(chǎng)局勢(shì)的判斷，為下一步擊打策略的實(shí)施做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.3 擊打策略的分析

經(jīng)過(guò)場(chǎng)上局勢(shì)檢測(cè)，獲得本方和對(duì)方球數(shù)量及位置分布數(shù)據(jù)，冰壺機(jī)器人需要采取不同的策略進(jìn)行擊打。如圖9所示，場(chǎng)上如果是有無(wú)球狀態(tài)，機(jī)器人可以直接擊打至靶心占據(jù)分?jǐn)?shù)最高位置，取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)。如果場(chǎng)上只有一個(gè)對(duì)方球，可以直接將對(duì)方球擊打遠(yuǎn)離靶心，本方球取代其位置，亦可取得領(lǐng)先。如果場(chǎng)上存在本方球和對(duì)方球各一個(gè)，若發(fā)球到靶心間無(wú)遮擋，則可以直接擊打至靶心，否則判斷本方球是否離靶心更近，若本方球近則只需擊打一個(gè)半徑大小的力即可，若對(duì)方更近則采用策略二方式或者策略四將本方球擊打至靶心。

3.4 仿真調(diào)試

冰壺機(jī)器人控制系統(tǒng)搭建完畢即可輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)不同的本方和對(duì)方球數(shù)量和位置可以驗(yàn)證算法的可行性及擊打效果。這里選取本方球坐標(biāo)為[108，360]，對(duì)方球坐標(biāo)為[-155，480]，發(fā)球位置為[180，0]，如圖10所示，系統(tǒng)啟動(dòng)并且開(kāi)啟仿真調(diào)試后，系統(tǒng)判斷對(duì)方球離靶心近，但是通往靶心的路徑又被本方球阻擋，則采取策略二的方式把對(duì)方球打遠(yuǎn)。

4 總結(jié)

本文分析了冰壺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、反解以及碰撞的物理特性，建立了相關(guān)模型，基于先進(jìn)的綜合性Sysmac平臺(tái)，利用Sysmac studio設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制模塊，搭建了3D仿真仿真平臺(tái)。在仿真環(huán)境中研究了冰壺機(jī)器人控制算法，規(guī)劃了幾種擊打策略，為下一步研究智能控制算法奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：眭翔（1989-），男，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)。endprint