基于改進人工勢場的采摘仿生機械手設計和仿真研究

陳東鳳

(重慶電子工程職業(yè)學院 應用電子學院，重慶 401331)

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基于改進人工勢場的采摘仿生機械手設計和仿真研究

陳東鳳

(重慶電子工程職業(yè)學院 應用電子學院，重慶 401331)

提出了一種應用于水果采摘機器人末端執(zhí)行器的仿生機械手，并設計了仿生機械手指關(guān)節(jié)微電機的協(xié)同控制虛擬總軸系統(tǒng)，提高了采摘機器人手指關(guān)節(jié)的靈活性，降低了水果采摘機器人采摘過程中對果實的損傷。針對傳統(tǒng)的電機人工勢場控制器難以滿足由負載擾動引起的多電機實時的同步運轉(zhuǎn)，提出了具有相鄰吸引力的人工勢場多電機同步控制方法，通過相鄰電機的相互作用，使各個電機協(xié)同工作，降低了負載擾動對于機械仿生手指動作不協(xié)調(diào)的干擾。對采摘機械仿生手各手指關(guān)節(jié)電機的跟隨協(xié)同性進行了測試，結(jié)果表明：采用改進后的人工勢場模型后，可以有效地改善跟隨手指的角度誤差，響應效率高，在更短的時間內(nèi)可以將誤差降低到最低。對采摘過程手指的協(xié)同性進行了虛擬仿真研究，結(jié)果表明：改進后人工勢場控制模型三手指角速度的數(shù)值差異較小，三手指的協(xié)同性較好，可以滿足協(xié)同控制的設計要求。

采摘機械手；人工勢場；仿生機械；虛擬仿真；協(xié)同控制

0 引言

近年來，關(guān)于多電機同步控制的研究受到越來越多的關(guān)注，多電機同步控制已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領域，不僅解決了諸多工程中的實際問題，而且獲得了很大的經(jīng)濟效益。采摘機器人機械仿生手的手指關(guān)節(jié)采用微電機進行控制，屬于多電機協(xié)同工作的系統(tǒng)，是一個多變量、非線性的模型，因此對于控制系統(tǒng)的設計要求更高。人工勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機器人作業(yè)的環(huán)境抽象為引力和斥力構(gòu)建的場，目標會對機器人產(chǎn)生引力作用，而障礙物會對機器人產(chǎn)生斥力作用，最后利用合力來控制機器人的移動路徑。將人工勢場進行改進后，應用到仿生機械手關(guān)節(jié)多電機的控制系統(tǒng)中，對手指的協(xié)同控制研究具有重要的意義。

1 采摘仿真機械手指結(jié)構(gòu)原理

在水果的采摘過程中，機械手指在對水果抓取過程中很容易造成水果的傷害，為了降低機械手對采摘果實的傷害，提高采摘機械手指的靈活性，需要設計一種類似人類手指的仿生機械手。仿真機械手以人類手指為參考對象，需設計較為柔軟的接觸面；同真實人類手指一樣，具有靈活的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)采用開環(huán)控制。由于手指體積較小，因此需要采用微電機控制。以蘋果采摘為例，手指抓取蘋果過程如圖1所示。

圖1 手指把握蘋果示意圖

為了簡化設計、節(jié)省成本，可以蘋果的抓取為例，主要對3個手指進行重點設計。設計過程中，使3個手指在微電機的控制下，可以協(xié)同動作， 其整體設計效果如圖2所示。

圖2 仿生機械手結(jié)構(gòu)示意圖

采用微電機對仿真機械手的關(guān)節(jié)進行控制，并利用電子虛擬總軸來同時控制仿生機械手的手指關(guān)節(jié)電機。與同步運行的機械長軸類似，電子虛擬總軸中將信號通過總軸作用后，計算每臺電機的輸入信號；總軸協(xié)調(diào)后，使每個手指的關(guān)節(jié)電機跟隨運動，從而間接地對整個電機控制系統(tǒng)進行了改善。電子虛擬總軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電子虛擬總軸控制結(jié)構(gòu)圖

在電子虛擬總軸控制系統(tǒng)中，各個手指電機的控制回路是相對獨立的，各個回路的關(guān)系為并行關(guān)系，由于各個電機之間沒有耦合關(guān)系，因此控制較為簡單易行。在這種控制方式下，各個手指關(guān)節(jié)控制電機不存在指令的時間差，若一個手指電機關(guān)節(jié)電機被擾動，可利用人工勢場通過相鄰電機進行補償，最終實現(xiàn)電機的同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

2 基于改進人工勢場的機械手微電機協(xié)同控制算法

對于傳統(tǒng)的人工勢場而言，其考慮的僅僅是主電機和跟隨電機的作用，而沒有考慮相鄰電機之間的關(guān)系。如果跟隨電機中的某個電機轉(zhuǎn)速不同于其他電機，相鄰電機不能很好地保持協(xié)同性，會使電機的協(xié)同作用降低，影響多電機同步控制的效果。改進后的人工勢場如圖4所示。其考慮了相鄰電機1和2之間的引力，可以使轉(zhuǎn)速保持高度協(xié)同，從而使整個電機系統(tǒng)處于同步運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4 改進后的多電機受力示意圖

假設α表示相鄰電機i和i+1的轉(zhuǎn)角，Δα(αi,αi+1)=αi-αi+1表示轉(zhuǎn)角差，Δαl表示轉(zhuǎn)角差額定最大值。當Δα(αi,αi+1)=αi-αi+1<Δαl時，在電機上會差生引力場，相鄰電機之間的引力勢場為

Δα(αi,αi+1)<Δαl

(1)

其中，β表示正比例增益系數(shù)，對應的應力為

Fx(i,i+1)=β(αi,αi+1)

(2)

而改進后人工勢場跟隨電機i所受的合力為

Fh(i)=Fx(i)+Frep(i)+Fx(i,i+1)

(3)

其中，F(xiàn)rep(i)表示斥力。由此可見，改進后的人工勢場的電機受力不僅包括引力和斥力，還包括相鄰電機的作用力，其控制的耦合性更強， 因此在一個手指發(fā)出動作后，其他手指可以更好地追隨該手指發(fā)出動作。把電機受到的合力作為主手指同步控制器的輸入，可以使其他手指使其能夠和其他跟隨手指實現(xiàn)同步動作。本次研究以單個智能體為研究對象，根據(jù)電機中的電壓和電矩平衡方程可以得

(4)

其中，U表示采摘機械手指驅(qū)動電機的兩端電壓；r表示回路中的總電阻；L表示電路繞組的電感；w表示直流電機的轉(zhuǎn)速；i表示回路電流；E表示回路的感應電動勢；c表示電壓反饋系數(shù)；J表示轉(zhuǎn)動慣量；k表示電磁力矩的系數(shù)；TL表示負載的轉(zhuǎn)矩；T表示電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。當x1=α、x2=w時，可以得到控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(5)

Ui(t)=U1i(t)+U2i(t)

(6)

其中，跟隨誤差控制器的輸出采用PID控制器進行控制，其表達式為

(7)

其中，e(t)表示期望的控制誤差，通過控制其大小可以得到期望的輸出值；kP、kI、kD分別表示比例、積分和微分控制系數(shù)。

3 采摘仿生機械手實驗測試和虛擬仿真

為了驗證改進人工勢場對采摘仿真機械手關(guān)節(jié)微電機協(xié)同控制的效果，以茄子采摘為研究對象，設計了仿生機械手的實驗測試，測試對象主要是跟隨電機的跟隨誤差,如圖5所示。

圖5 仿真機械手指茄子實驗

為了使仿生機械手完成采摘過程，首先將仿生機械手置于茄子的位置，然后給定主手指電機一個轉(zhuǎn)向信號，從而可以得到手指作用時間隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 作用力隨時間變化曲線

在轉(zhuǎn)向的作用下，手指和茄子進行接觸，由于給定電機轉(zhuǎn)向的信號屬于階躍信號，因此在起始階段作用力為零；當接受到信號后，手指作用力隨時間保持一個恒定值，通過測試得到了其他兩個手指的角度跟隨誤差如圖7所示。

采摘機械手誤差測試的實驗曲線表明：采用人工勢場后可以有效地改善跟隨手指的角度誤差，并且響應迅速，在較短的采摘時間內(nèi)可以將誤差降低到最低。

如圖8所示，為了進一步驗證采摘仿生機械手微電機的協(xié)同控制效果，本研究采用MatLab/Simulink平臺，對仿生機械手的微電機同步控制方案進行了仿真驗證，其手指的虛擬網(wǎng)格模型如圖9所示。

圖7 采摘機械手手指誤差測試曲線

圖8 機械仿生手采摘模型

圖9 虛擬仿真網(wǎng)格模型

利用手指的虛擬網(wǎng)格可以繪制出手指上任一點隨時間變化曲線，在3個手指上分別取一點，便可以得3手指的協(xié)同控制曲線。通過仿真模擬計算，得到了在階躍響應下，3個手指橫向擺動的角速度曲線，如圖10所示。

圖10 改進前階躍響應下橫向擺動角速度仿真曲線

為了驗證改進后人工勢場對多微電機協(xié)同控制的效果，分別對改進前后階躍響應下的手指擺動角速度曲線進行了仿真計算，如圖11所示。由改進前的階躍響應下手指擺動的角速度可以看出：改進前3手指角速度的數(shù)值差異較大，不能滿足協(xié)同控制的設計要求。

圖11 改進后階躍響應下橫向擺動角速度仿真曲線

由改進后的階躍響應下手指擺動的角速度可以看出：改進后3手指角速度的數(shù)值差異較小，3手指的協(xié)同性較好，可以滿足協(xié)同控制的設計要求，從而驗證了改進人工勢場對多電機協(xié)同控制的可靠性。

4 結(jié)論

利用改進的人工勢場模型，結(jié)合微機電技術(shù)和多關(guān)節(jié)微電機的協(xié)同控制虛擬總軸系統(tǒng)，對采摘機器人仿生機械手進行了優(yōu)化設計，有效地提高了采摘機器人手指關(guān)節(jié)的靈活性，降低了不同手指負載擾動對整個機械手動作不協(xié)調(diào)的干擾。采用實驗測試和虛擬仿真相結(jié)合的方法，對采摘機器人仿生機械手的性能進行了測試，結(jié)果表明：采用改進后的人工勢場模型后，手指跟隨運動的誤差得到了明顯的改善，而且提高了響應速度。仿真結(jié)果表明：采用改進后人工勢場控制模型后，3手指的協(xié)同性較好，從而驗證了改進后的人工勢場在多電機協(xié)同控制中的作用，為采摘機器人仿生機械手的研究提供了重要借鑒。

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Design and Simulation of Bionic Picking Manipulator Based on Improved Artificial Potential Field

Chen Dongfeng

(Institute of Applied Electronics, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

It presents an application to fruit picking robot execution for bionic manipulator, and designs bionic robot finger joints micro motor coordinated control, virtual shaft system, which improves the picking robot finger joint flexibility, reduces the fruit picking robot picking the damage to the fruit in the process. According to traditional motor artificial potential field controller, it is difficult to meet the load disturbance caused by multi motor real-time synchronous operation. The adjacent attraction is the artificial potential field of multi motor synchronous control method. Through the interaction of adjacent motor, each motor cooperative work and reduce the load disturbance for bionic robot finger in coordination of interference. The results show that the artificial potential field model can effectively improve the follow the finger angle error with high efficiency response, and it can be error can be reduced to a minimum in a shorter period. The picking process is with the help of finger coordination of research on virtual simulation. The simulation results show that the improved artificial potential field to control the numerical difference of the angular velocity of the model of three fingers is smaller, the three fingers are in good synergy, which can meet the requirements of the control collaborative design.

picking manipulator; artificial potential field; bionic machinery; virtual simulation; collaborative control

2016-03-03

重慶市教委科學技術(shù)一般項目(KJ51277192)

陳東鳳(1974-)，女，湖南邵陽人，講師，(E-mail)cdfcq@sina.cn。

S126;TP24

A

1003-188X(2017)05-0231-05