基于PSO優(yōu)化算法的重載機械臂載荷參數(shù)自動控制方法

李佳兵 王茜 高紫韻 李歡 劉欣 郭培鑫茜 高紫韻 李歡 劉欣 郭培鑫

摘要：伴隨著不斷加快的工業(yè)化進程，機械臂因其精度高、靈活性高的優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的工業(yè)作業(yè)中，重載機械臂不僅要有足夠的負載能力，還需要更高的精準度，以便于作業(yè)中精準的安裝?；诖?，加入PSO優(yōu)化算法，對重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)在硬件及軟件方面進行新的設(shè)計，并通過與傳統(tǒng)載荷控制系統(tǒng)進行對比結(jié)果表明新的系統(tǒng)更加精準、有效。

關(guān)鍵詞：PSO優(yōu)化算法;重載機械臂;載荷參數(shù);自動控制;

中圖分類號：TP241文獻標識碼：A

0引言

機械臂是一種高精度、多輸出、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。由于其特有的操作靈活性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)裝配、安全防爆等領(lǐng)域之中。目前國內(nèi)外研究學(xué)者正在進行機械臂的動力學(xué)以及控制方面的研究，能夠讓機械臂更好地完成預(yù)期的效果。在大型的裝配線上，重載機械臂要滿足更高的精準度，因此需要對重載機械臂的載荷參數(shù)進行精確的自動化控制。但是由于產(chǎn)生的高負載影響，很可能會造成系統(tǒng)的參數(shù)不準確以及使重載機械臂產(chǎn)生巨大的慣性現(xiàn)象，影響任務(wù)工業(yè)作業(yè)^[1]。為了防止這一問題的產(chǎn)生，本文利用PSO優(yōu)化算法對重載機械臂載荷參數(shù)自動控制進行新的設(shè)計。

1重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在對重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計時，首先要考慮到進行平面運動的重載機械臂的結(jié)構(gòu)，圖1為重載機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。L1表示與基座相連接的連桿，L2表示與L1相連接的連桿，L3表示與L2相連接的連桿，其中L1可以在范圍內(nèi)以基座為軸進行90°的旋轉(zhuǎn)，L2可以在x1軸上進行180°的旋轉(zhuǎn)，L3只可以由x2軸轉(zhuǎn)動到x3軸上。

基于重載機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖，新的系統(tǒng)設(shè)計中主要硬件分為以下幾個部分組成：一套PLC設(shè)備，兩套運動控制設(shè)備、工業(yè)計算機設(shè)備。在對機械臂進行控制時還需要兩臺機械臂的公共液壓站和操作臺操作的邏輯控制設(shè)備。運動控制設(shè)備的功能是為了讓機械臂可以自動進行運動的控制，通過一臺工業(yè)計算機可以控制兩套機械手臂控制系統(tǒng)的軟件，可以通過操作臺上的按鈕隨時切換兩套系統(tǒng)軟件以實現(xiàn)不同機械臂的操作畫面。

本設(shè)計中采用的運動控制器是一種多軸運動控制器，同時這種控制器也是世界上功能最全、計算速度最快、可靠性較高的運動控制設(shè)備之一。這種控制器中所采用的處理器是數(shù)字信號處理器。這種控制器的主體外觀呈現(xiàn)三個U型框架結(jié)構(gòu)，CPU是通過IP協(xié)議與上位機進行交流，同時也可以通過網(wǎng)絡(luò)連接進行控制，另外控制器還支持USB以及光纖等方式進行傳輸。運動控制器具有靈活的編程語言，最多可以同時控制24軸進行運動，具有優(yōu)良的直線、曲線加減速、PLC控制能力等^[2]。控制器主要由電源、CPU、軸卡等模塊組成。其中軸卡是一種帶有輸出信號的模擬量輸出卡，最多可以同時進行控制5 根軸。

2重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1PSO優(yōu)化算法

PSO優(yōu)化算法又稱粒子群優(yōu)化算法，是一種利用種群行為的并行全局的搜索方法^[3]。PSO優(yōu)化算法與其他算法相比較，也是利用群體和進化的概念完成。根據(jù)單一個體的適應(yīng)值大小進行相應(yīng)的操作，以粒子為單位找出自身的最佳值和整個種群中的最佳值以完成優(yōu)化的過程。

在重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)中，利用PSO優(yōu)化算法在最大載荷和最小載荷范圍內(nèi)進行搜索，系統(tǒng)中粒子表示范圍內(nèi)的不同載荷，假設(shè)在T時刻，某一粒子i的載荷數(shù)為Q_i，每個粒子的速度為V_i，在運動過程中將最佳的載荷數(shù)計為P，重載機械臂在經(jīng)過的最佳狀態(tài)計為G，在下一時刻T+1時，更新的公式如下：

在公式中，m表示慣性權(quán)重、c₁c₂表示為加速度的常數(shù)、r_1、r₂表示在0-1中間的相互獨立的隨機數(shù)。利用PSO優(yōu)化算法的基本流程是：首先隨機產(chǎn)生N個載荷數(shù)最為初始的初始粒子群體;再通過公式計算出每個粒子的適應(yīng)度;將計算出的適應(yīng)度與個體當前的最佳位置進行比較，若結(jié)果好則替換當前位置作為最好位置P;再與全局的最好位置進行比較，若還是好于全局最佳位置則將其替換掉當前的位置作為全局最好位置G;獲得的G通過上述公式得到具體的位置與速度;若未達到事先要求的條件，則返回到第二步重新獲得粒子的適應(yīng)度。

2.2力矩控制系統(tǒng)

在普通的機械臂的控制系統(tǒng)的設(shè)計中，假設(shè)一個精確已知的系統(tǒng)控制參數(shù)，控制器的設(shè)計由計算力矩的方法完成，并且能夠保證系統(tǒng)的控制達到穩(wěn)定。但是在工況較復(fù)雜且多變的重載機械臂的載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)中，由于摩擦力以及其他外界的干擾造成模型不易確定，導(dǎo)致利用計算力矩法對系統(tǒng)進行設(shè)計很難滿足要求的效果^[4]。因此為了克服由于系統(tǒng)的不確定性造成重載機械臂控制系統(tǒng)的影響，在此增設(shè)一個標稱的計算力矩控制器系統(tǒng)，并增加一個滑模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償系統(tǒng)，通過兩者的共同作用完成對重載機械臂載荷參數(shù)的自動控制。

2.3?PLC 軟件結(jié)構(gòu)

在本文設(shè)計的控制系統(tǒng)中采用了一套PLC設(shè)備控制兩臺機械臂，為了使PLC設(shè)備中的軟件結(jié)構(gòu)化，并且同時能夠減少調(diào)試所需要的時間，將機械臂的所有功能都按照不同的FA和FB實現(xiàn)，F(xiàn)A主要是由液壓站控制、機械臂操作模式對FA進行轉(zhuǎn)化、機械臂自動控制、PLC以及各機械臂通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、與機械臂相連的設(shè)備接口的通信、機械臂警報系統(tǒng)等組成。FB主要包括機械臂自動限幅以及位置的判定、S型曲線斜坡函數(shù)發(fā)生器、判斷與其相鄰的設(shè)備通信狀態(tài)設(shè)備等組成。

在作業(yè)過程中，機械臂與相鄰的設(shè)備間的距離很近，為了避免由于機械臂造成的誤動對相鄰設(shè)備和機械臂本身造成破壞，因此在PLC中要加設(shè)32個參考位點，機械臂只允許在這32個參考位點中的某一位置進行伸縮、升降以及夾鉗開閉的動作，在除32個參考位點以外的位置上只允許在機械臂收縮的情況下進行旋轉(zhuǎn)運動，并且所有功能都需要由機械臂自動限幅以及位置判斷FA配合機械臂自動控制FB來實現(xiàn)。同時為了能夠讓機械臂的動作更加柔和，減少機械沖撞造成的破壞，在機械臂加減速的過程中加設(shè)S型加速曲線，發(fā)生器FA給定速度的大小，S型加速時間生成加減速的時間。再根據(jù)比例閥控制機械手油缸的給油流量，從而可以控制機械手的運動速度完成相應(yīng)的作業(yè)。

2.4運動控制軟件結(jié)構(gòu)

運動控制器中最重要的三個類型程序分別為PLC程序、PLCC程序以及Program運動程序，PLCC程序的作用是將編程軟件中編制的程序通過編輯和翻譯生成機器碼，然后再下裝到運動控制器中并執(zhí)行。因為運動控制器中執(zhí)行的是機器碼，而PLCC程序本身所占用的內(nèi)存很小，因此運動控制器工作時的效率和速度都有很大幅度的提高^[5]。而PLC程序是將軟件中編制的程序直接以文本的形式下裝到運動控制器中，由控制器解釋并執(zhí)行。通過兩種程序的循環(huán)掃描執(zhí)行，以完成系統(tǒng)中邏輯的運算以及數(shù)學(xué)的計算。Program運動程序主要是用來完成機械臂中機械的運動控制，將每一個機械臂的運動軌跡都與對應(yīng)的運動控制器的軸相對應(yīng)，并且將幾個有關(guān)聯(lián)的軸組成一個坐標系，然后通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)對坐標系中的每個坐標進行特定的控制。每個軸都與運動控制器中的電機對應(yīng)，通過設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)對機械臂的每個動作和運動路線進行特定的控制。Program運動程序需經(jīng)過相關(guān)工作人員在軟件中根據(jù)一定的規(guī)則進行編制而自動生成，由工作人員下裝到運動控制器中并執(zhí)行。

同時在對機械臂的載荷參數(shù)控制中，為了減少CPU的負荷以達到提高控制精度的目的，所有的計算都采用PSO優(yōu)化算法進行，主要完成對數(shù)據(jù)的更新以及通信數(shù)據(jù)的刷新;根據(jù)PLC設(shè)備發(fā)送給運動控制設(shè)備的各個軸的前后位置限定來實現(xiàn)以下三個功能：1）判斷機械臂下一個工作是否被允許執(zhí)行;2）實現(xiàn)機械臂運動模式的自由切換和暫停;3）在緊急情況下可以迅速縮回機械臂。

3實驗論證分析

為了驗證本文設(shè)計的基于PSO優(yōu)化算法的重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)的精準度以及可行性，與傳統(tǒng)的機械臂載荷控制方法進行對比。在其他外界條件不變的情況下，分別利用兩種方法對重載機械臂的載荷進行控制，并將實驗中的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成如圖2所示的曲線圖。

圖2中虛線表示傳統(tǒng)的機械臂載荷控制方法的精準度，實線表示為本文基于PSO優(yōu)化算法的重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)，通過圖2曲線圖可以清晰地看出，本文所介紹的方法對于機械臂載荷的自動化控制更加準確，基本維持在百分之九十以上，而傳統(tǒng)的方法難以達到百分之九十，且隨著時間的增加，精準度逐漸降低。導(dǎo)致傳統(tǒng)方法準確率低的主要原因是因為在實驗的過程中機械臂產(chǎn)生的摩擦以及外界的其他的干擾因素造成的。而基于PSO優(yōu)化算法的系統(tǒng)可以避免這些因素的干擾，使其無法影響控制的結(jié)果，增加了精準度的同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

4結(jié)束語

本文在設(shè)計新的重載機械臂載荷參數(shù)自動控制系統(tǒng)時是根據(jù)機械臂的線性模型提出的，因此這種方法只能在特定的工作中進行，所以在使用這一系統(tǒng)時需要保證系統(tǒng)的捕獲過程中處在同一工作點。在日后的研究中還需要找出更具普遍適用性的系統(tǒng)方法。

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