機(jī)器人手臂自動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

買楚源

摘 要 機(jī)器人手臂自動(dòng)控制中，若控制速度較快或命令過(guò)于頻繁，其手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)有所加大，嚴(yán)重干擾控制過(guò)程，以往所采用的手臂控制方式，以降低要求和性能解決以上問(wèn)題，但應(yīng)用弊端仍然較大。設(shè)計(jì)新型機(jī)器人手臂控制方式，首先需分析操作空間末端效應(yīng)器啟發(fā)式信息，建立初始模型，按照其手臂抓取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，修改其初始前向變量，再給出總動(dòng)量方程式，優(yōu)化動(dòng)量維度，實(shí)施動(dòng)量控制，建立分解動(dòng)量控制矩證，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人；手臂控制；優(yōu)化

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）229-0171-02

目前我國(guó)科技水平不斷提高，創(chuàng)新能力提升速度較快，其微型機(jī)器人在不同行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并有助于人們生產(chǎn)生活水平的上升，研究機(jī)器人相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其仿真能力進(jìn)行提高具有積極意義。目前機(jī)器人控制系統(tǒng)具有高階、非線性、多自由度等特點(diǎn)，其系統(tǒng)有較大的不穩(wěn)定性，而機(jī)器人手臂自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)整體功能有重大影？響[ 1 ]。對(duì)手臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并提高其精確性需要及時(shí)解決。該問(wèn)題在領(lǐng)域內(nèi)受到了廣泛關(guān)注，業(yè)內(nèi)人士同樣提出了許多有效的解決方法。

有研究表明[2]，使用寬帶零中解調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人手臂自動(dòng)控制，提高系統(tǒng)能力。此方法具有便利性，設(shè)計(jì)方案復(fù)雜度低，但出現(xiàn)了設(shè)計(jì)誤差較大的問(wèn)題。有相關(guān)人員提出[3]，將自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法在PID控制基礎(chǔ)上。設(shè)計(jì)中通過(guò)PID對(duì)機(jī)器人手臂控制回路進(jìn)行控制，對(duì)于其中產(chǎn)生不良影響的因素通過(guò)高頻放大方式干擾，其設(shè)計(jì)方式具有可行性，其自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案較為理想。方案有實(shí)現(xiàn)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但方案中對(duì)手臂自動(dòng)控制忽略了對(duì)抓取動(dòng)作的規(guī)劃，造成手臂抓取動(dòng)作不能夠?qū)崿F(xiàn)物體的精確抓取，同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制精度不高、精度誤差問(wèn)題較為嚴(yán)重。有研究從PID控制設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化[4-5]，主要利用拉格朗日平衡法，對(duì)機(jī)械臂瞬時(shí)傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)定，隨后將手臂關(guān)節(jié)中瞬時(shí)PID控制各參數(shù)整定。本文提出的優(yōu)化方法同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人手臂自動(dòng)控制的目的，解決了精確度誤差，但有計(jì)算流程繁瑣，浪費(fèi)時(shí)間問(wèn)題。

本研究研究據(jù)機(jī)器人末端效應(yīng)器位姿狀態(tài)設(shè)定初始位形，后對(duì)手臂控制初始模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后著重抓取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，與手臂促使前向變量進(jìn)行分析，將分解動(dòng)量控制方法應(yīng)用于方案中，建立起機(jī)器人手臂分解動(dòng)量控制矩陣，方案注重時(shí)間與精度的協(xié)調(diào)，使用ARM系統(tǒng)硬件進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器人手臂自動(dòng)控制設(shè)計(jì)原理

機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)中含有手臂控制器結(jié)構(gòu)，其中含有直流減速電機(jī)、螺桿、角度傳感、減速齒輪等多個(gè)零件。零件中手臂與機(jī)械螺桿連接，減速齒輪耦合螺桿與直流減速電機(jī)，同時(shí)在多個(gè)手臂控制器的協(xié)調(diào)下，對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制，對(duì)機(jī)器人手臂進(jìn)行控制，具體步驟以下進(jìn)行詳細(xì)闡述：

對(duì)于機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)電機(jī)瞬時(shí)傳遞函數(shù)表示？如下：

其中，La表達(dá)控制反電勢(shì)系數(shù)，dia表關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度限制，dt為手臂負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Raia表達(dá)手臂中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Ea表關(guān)節(jié)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ua表手臂位能。

2 機(jī)器人手臂自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的優(yōu)化原理

機(jī)器人手臂控制初始模型建立。為提高機(jī)器人抓取動(dòng)作控制的精確性，本部分對(duì)精度問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決精度誤差。根據(jù)機(jī)器人操作空間末端效應(yīng)器位置狀態(tài)中的啟發(fā)式性信息建立初始模型，并對(duì)手臂抓取動(dòng)作作優(yōu)化，將控制系統(tǒng)中初始前變量改動(dòng)操作。

其手臂自動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)用以下公式表示：

通過(guò)以上公式對(duì)于機(jī)器人手臂自動(dòng)控制優(yōu)化，根據(jù)機(jī)器人于操作孔間末端效應(yīng)器位置狀態(tài)中啟發(fā)式信息進(jìn)行分析，對(duì)手臂控制初始模型進(jìn)行建立，根據(jù)抓取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃將修改機(jī)器人控制初始前變量，從而對(duì)原有控制方案存在的一定缺陷進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了手臂自動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)及仿真證明

為證明其方案設(shè)計(jì)的有效性，將本文中提出的方案在ARM基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。研究將對(duì)不同的控制方案，并于MATLAB？R2008b對(duì)手臂控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)立，機(jī)器人雙手臂相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

本實(shí)驗(yàn)中，研究通過(guò)手臂末端執(zhí)行器對(duì)9個(gè)連續(xù)位置點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，并將其距離設(shè)置為180mm，隨后將運(yùn)動(dòng)相關(guān)指令輸入在機(jī)器人手臂進(jìn)行末端執(zhí)行器實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其使用儀器進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算器設(shè)定點(diǎn)與控制位置中誤差范圍。并利用兩種算法：傳統(tǒng)算法、改進(jìn)算法，對(duì)機(jī)器人手臂自動(dòng)控制進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)兩種不同算法對(duì)機(jī)器人手臂在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)兩種算法的設(shè)計(jì)有效性進(jìn)行驗(yàn)證，詳見(jiàn)表2。從表中可以看出，改進(jìn)算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

在進(jìn)行算法實(shí)驗(yàn)后，再利用兩種算法進(jìn)行手臂自動(dòng)控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)節(jié)角速度與控制曲線相比，對(duì)比結(jié)果如下。

從圖1可以看出，改進(jìn)算法能夠?qū)κ直圩詣?dòng)控制問(wèn)題有良好的解決，且穩(wěn)定性較高比傳統(tǒng)算法具有明顯優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)算法控制具有較高的有效性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，本次研究基于ARM控制的手臂設(shè)計(jì)方案能夠提高精確度。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于在ARM系統(tǒng)基礎(chǔ)上的手臂自動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案可行度高，其研究過(guò)程根據(jù)操作空間末端效應(yīng)器中啟發(fā)信息，而對(duì)手臂控制系統(tǒng)進(jìn)行組建，同時(shí)根據(jù)對(duì)手臂抓取動(dòng)作進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手臂初始前向變量修改，對(duì)總動(dòng)量方程進(jìn)行計(jì)算，并優(yōu)化選取方案，使重要?jiǎng)恿烤S度行動(dòng)量控制融于分解動(dòng)量控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人手臂動(dòng)量控制建立。本優(yōu)化方案針對(duì)手臂自動(dòng)控制方案進(jìn)行了優(yōu)化，提高了機(jī)器人手臂精度，具有較高的魯棒性，具有一定的研究?jī)r(jià)值。同樣存在一定缺陷，如手臂抓取動(dòng)作控制的精確性有待進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1]豐煥亭.機(jī)器人手臂自動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（3）：264-267.

[2]郭盛，于智遠(yuǎn)，曲海波.輕型抓取機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，41（1）：101-106.

[3]郭鵬，房靈申，趙明揚(yáng)，等.基于擴(kuò)展任務(wù)的雙臂機(jī)器人位姿優(yōu)化[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（1）：8-12.

[4]李峰平，張正亞，周斯加.修邊機(jī)器人的夾緊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2016，27（3）：387-390.

[5]Luc Jaulin.機(jī)器人自動(dòng)化：建模、仿真與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.