氣動輕量型機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)和碰撞檢測

李 偉 孫明旭 王玉軍

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

近年來，我國老齡化趨勢更加嚴(yán)重，為了提高自身生活水平，以護(hù)理功能為主的機(jī)器人被研發(fā)和推廣，尤其在娛樂和教育領(lǐng)域的機(jī)械人發(fā)展前景良好。不確定的環(huán)境加大了對機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，要想滿足機(jī)器人設(shè)計和發(fā)展要求，應(yīng)將輕量化作為主要發(fā)展方向。氣壓驅(qū)動機(jī)械臂可為人機(jī)交互的實現(xiàn)提供條件，將交互控制和防碰撞作為機(jī)器人主要研究內(nèi)容，可實現(xiàn)服務(wù)型機(jī)器人在各個領(lǐng)域的有效推廣。

1 氣動輕量型機(jī)械臂設(shè)計方案和建模

機(jī)械臂輕量化是為了滿足服務(wù)型機(jī)器人在社會中滿足不同領(lǐng)域的使用要求，結(jié)構(gòu)小巧、靈活輕便的機(jī)械臂在文教娛樂、人機(jī)協(xié)作等方面有著重要應(yīng)用意義。首先，要選擇輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、聚四氟乙烯等，其次要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，如中空的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是實現(xiàn)輕量化的有效舉措。各軸間的線纜要在機(jī)械臂內(nèi)部完成走線，能保證線纜運動范圍不受各軸影響。最后，要利用外形小、質(zhì)量輕的電機(jī)作為驅(qū)動裝置，可降低機(jī)械臂傳動過程中的復(fù)雜性，由此在簡化機(jī)械臂方案設(shè)計的同時，確保機(jī)械臂運動范圍較大。除了輕量化外，機(jī)械臂設(shè)計還要滿足柔順控制要求。這一控制是指通過力傳感器收集控制信號，以這類信號操控機(jī)械人行動。通常采用力傳感器、視覺傳感器來采集外界環(huán)境變化信息，然后將信號反饋至控制中心，根據(jù)外界變化操控機(jī)器人。上述設(shè)計要求都是實現(xiàn)機(jī)械臂有效設(shè)計的準(zhǔn)則，也是進(jìn)行機(jī)械臂設(shè)計的重要依據(jù)。為了適應(yīng)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人設(shè)計要求，本文對傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動下的機(jī)械臂進(jìn)行研究，將其分成并聯(lián)型機(jī)器人和串聯(lián)型機(jī)器人兩種，代表性的包括delta 型機(jī)器人和stewart 型機(jī)器人，在產(chǎn)品抓取和航空航天領(lǐng)域取得廣泛運用。另外，串聯(lián)型機(jī)器人是較為常見的機(jī)器人構(gòu)型，在生產(chǎn)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。分析各類機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合機(jī)械器特點，可發(fā)現(xiàn)scara 機(jī)械臂構(gòu)型較為靈活，能實現(xiàn)快速移動，定位精準(zhǔn)性高。因此，本文選擇scara 型布置形式。從以上闡述可知，氣動機(jī)械臂應(yīng)是一個質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備，在節(jié)點設(shè)計上，要將以小臂和大臂共同組成的機(jī)械臂作為研究對象，考慮到機(jī)械臂設(shè)計時的輕量化要求，應(yīng)優(yōu)先選擇半中空構(gòu)型，有利于走線布置，還能在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減輕整機(jī)質(zhì)量[1]。另外，在關(guān)節(jié)位置應(yīng)選擇擺動氣缸為驅(qū)動裝置，去除減速機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器等，簡化機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)。整機(jī)應(yīng)采用鋁合金材料，降低整體重量并達(dá)到較高機(jī)械強(qiáng)度。在選擇氣動關(guān)節(jié)時，應(yīng)充分考慮位置伺服控制的簡化和驅(qū)動效果較好，這里選用擺動氣缸來進(jìn)行驅(qū)動。

2 機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)研究

2.1 氣動伺服龍之系統(tǒng)研究軟件和研究流程

這里主要針對伺服控制系統(tǒng)的算法進(jìn)行研究，利用sinmulink軟件完成建模和算法設(shè)計，借助仿真機(jī)進(jìn)行樣機(jī)控制，可提高算法可靠性。在這一軟件平臺上設(shè)計算法，能減少編程時間，降低程序修正的復(fù)雜程度，還能快速完成算法調(diào)試。另外，利用半實物仿真系統(tǒng)，可讓控制算法在真實作業(yè)情況下進(jìn)行檢驗。仿真平臺將程序轉(zhuǎn)變成C代碼，然后轉(zhuǎn)變成用于采集卡收集的信號實施樣機(jī)控制。目前為了縮短研發(fā)周期，順應(yīng)市場需求，應(yīng)在研發(fā)開始階段便制定合理的研究方案，因此，本文在研究機(jī)械臂伺服系統(tǒng)控制算法時，制定相應(yīng)的研究流程，嚴(yán)格執(zhí)行操作流程。具體的流程圖如下。

圖1 控制系統(tǒng)研究流程圖

執(zhí)行以上研究流程，根據(jù)氣動機(jī)械臂設(shè)計要求，機(jī)械臂響應(yīng)速度應(yīng)在0.5s 之內(nèi)；關(guān)節(jié)角度精度要在±3°以內(nèi)，位置精度控制在±2mm 之內(nèi)；機(jī)械臂運動中不能出現(xiàn)抖動、突變等現(xiàn)象，要求其具有較高抗干擾能力。

2.2 加速度的反饋校正

氣動技術(shù)主要優(yōu)點表現(xiàn)在柔性好，使得氣動技術(shù)在柔性場合中取得廣泛運用，是氣動輕量機(jī)械臂設(shè)計要點。例如，助力機(jī)械臂、康復(fù)機(jī)器人等，在這些設(shè)計場合中使用氣動技術(shù)能完成作業(yè)任務(wù)，同時可保證使用安全和環(huán)境保護(hù)。但是柔性同樣是啟動技術(shù)用于驅(qū)動機(jī)械臂關(guān)節(jié)時的一大弊端。在低壓情況下，氣體強(qiáng)壓縮性在伺服控制系統(tǒng)中更加明顯。在伺服系統(tǒng)中，由于受到氣體這一屬性影響，將出現(xiàn)低阻尼比，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)不穩(wěn)定。解決這一問題的方法有以下兩種：一是改進(jìn)硬件條件。但是這一做法成本較高，因此是不可取的；二是優(yōu)化控制算法。是指在伺服系統(tǒng)中添加校正方法，不斷提升系統(tǒng)性能，提高其穩(wěn)定性。根據(jù)控制理論，在系統(tǒng)中加入加速度和速度反饋可達(dá)到校正目的，加速度反饋與系統(tǒng)阻尼比有關(guān)，加入這一反饋可提高阻尼比，而速度反饋能起到提高系統(tǒng)剛度的作用。因此，本文采取加速度反饋的方法，提高機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的整體剛度。

2.3 摩擦力前饋控制算法

摩擦力是指兩個接觸的物體產(chǎn)生相對運動后產(chǎn)生的力，相關(guān)學(xué)者針對氣缸摩擦力進(jìn)行了大量研究。從stribeck 摩擦力理論來看，可建立氣缸摩擦力矩模型，將摩擦力分成四個階段，深入探討不同階段對應(yīng)的控制算法，本文在對stribeck 算法進(jìn)行改進(jìn)后，使其用于氣缸摩擦力模型計算中。根據(jù)模型分析，我們了解到摩擦力矩具有較強(qiáng)非線性，這種因素會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差[2]。在實際工程中，低速階段氣缸出現(xiàn)爬行現(xiàn)象的主要原因在于摩擦力是非線性的。在擺動氣缸使用中，低速階段是摩擦力從靜到動的過程，這兩者摩擦力矩形成的差值是氣缸出現(xiàn)爬行的主要原因。由于宏觀運動的不連續(xù)性將降低系統(tǒng)運動穩(wěn)定性和定位精確度?？偟膩碚f，爬行現(xiàn)象產(chǎn)生原因為氣缸從靜止至開始運動前，受到摩擦力作用，輕量機(jī)械臂保持不動，隨著偏差量增加，則內(nèi)部壓差形成的驅(qū)動力超過靜摩擦力后，驅(qū)使系統(tǒng)開始運動。根據(jù)以上闡述，我們應(yīng)采用一種補(bǔ)償方法解決系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。大多數(shù)學(xué)者傾向于采取摩擦力前饋控制方法進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)前饋補(bǔ)償傳遞參數(shù)和閉環(huán)系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)倒數(shù)相同時，可完全消除摩擦力對系統(tǒng)的影響。從實際情況來看，本文在進(jìn)行摩擦力補(bǔ)償時，通過實驗計算摩擦力矩，并根據(jù)觀測值確定前饋系數(shù)，然后對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，試驗表明，當(dāng)選擇適宜的前饋系統(tǒng)時，可避免由于摩擦力距造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定缺陷。

3 氣動輕量型機(jī)械臂的碰撞檢測方法分析

目前相關(guān)文獻(xiàn)中還沒有關(guān)于氣動輕量機(jī)械臂的碰撞檢測方式，這里從電機(jī)驅(qū)動機(jī)械臂碰撞試驗來討論。通常將碰撞檢測分成非接觸式傳感器和接觸式傳感器兩種。前者是通過超聲波傳感器和視覺傳感器等，檢測機(jī)械臂和其他物體間的距離，判斷是否產(chǎn)生碰撞。后者是檢測碰撞力矩，屬于一種柔順控制方法。具體方法如下：外部力覺傳感器加檢測[3]。如博世公司apas 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)便采用這一檢測方法，ur 機(jī)器人主要采取關(guān)節(jié)摩擦力矩的檢測方法；電流環(huán)檢測。該方法是指檢測碰撞時的電流變化情況，識別碰撞時摩擦力矩大小，具有容易實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點，但是檢測結(jié)果容易受到外部因素影響，精確度較低。通過上述分析，本文結(jié)合了擺動氣缸特點，利用氣壓傳感器方法，快速檢測出是否產(chǎn)生碰撞力，通過估計外部擾動力矩進(jìn)行檢測，可根據(jù)動力學(xué)方程確定力矩大小。但是實際計算結(jié)果和碰撞力矩之間存在差異，因此，應(yīng)將提高碰撞力矩計算精確度作為研究重點，從計算方程式來看，在慣性項要確定加速度，這時應(yīng)進(jìn)行位移量的二次微分，由此會帶來噪聲信號。從這一角度看，為了保證伺服控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，應(yīng)利用濾波器確保信號的準(zhǔn)確性，提高氣動輕量機(jī)械臂碰撞檢測有效性。

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要針對二自由度機(jī)械臂設(shè)計和碰撞檢測方法的研究，建立機(jī)械臂動力學(xué)模型和運動學(xué)模型，對這一機(jī)械臂進(jìn)行伺服控制系統(tǒng)分析，提出加速度反饋和摩擦阻力前饋補(bǔ)充控制模型，還利用摩擦力矩檢測器，旨在提高摩擦力補(bǔ)償精確性。利用相關(guān)軟件建立分析模型，進(jìn)行試驗分析后，可提出有效的控制方法，最大程度提高輕量型機(jī)械臂的防碰撞性能。