Web 下的實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法

龍曼麗

（吉林大學(xué)，吉林 長春 130012）

1 引言

驅(qū)動控制是遠程處理系統(tǒng)的核心執(zhí)行環(huán)節(jié)，可根據(jù)動力學(xué)原理，將輸出電機、協(xié)調(diào)控制器等多個元件統(tǒng)一在一起，在布施物理控制節(jié)點的同時，保障電能、動能轉(zhuǎn)換行為的順利實施。超聲電機是最主要的驅(qū)動控制實施設(shè)備，具備較強的逆壓電承載能力，可在定子、動子保持摩擦接觸的情況下，緩解外部連接系統(tǒng)的電量傳輸壓力，進而實現(xiàn)直線型電子與旋轉(zhuǎn)型電子之間的定量轉(zhuǎn)化。這種手段滿足轉(zhuǎn)向運動的傳遞機理，且超聲電機不會產(chǎn)生無用的電磁波信號，這也是驅(qū)動控制策略能夠直接應(yīng)用于所有運動系統(tǒng)的主要原因，如電動汽車、感官機器人等都屬于直接受到驅(qū)動控制行為影響的運動系統(tǒng)。

在實驗室環(huán)境中，機器人主要負責(zé)實施危險系數(shù)較高的理化實驗，在整個操作過程中，藥劑用量、反應(yīng)時間等數(shù)據(jù)都必須得到嚴格控制。針對此情況，相關(guān)學(xué)者進行了大量研究，文獻[1]提出了連續(xù)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過構(gòu)建滿足生產(chǎn)工藝和連機械結(jié)構(gòu)兩個方面的控制系統(tǒng)，在一定程度上為驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計提供新的控制思路和方案，但是在控制結(jié)果并不理想。文獻[2]針對多相發(fā)電機的驅(qū)動與控制問題，基于矢量空間解耦理論對輸出電流進行跟蹤控制，這種控制方法通過搭建仿真模型，控制輸出特性來實現(xiàn)有效驅(qū)動機器穩(wěn)態(tài)運行，但是該方法的模型運用限制性較強。文獻[3]為解決機器人驅(qū)動中數(shù)字信號處理的問題，利用驅(qū)動器芯片設(shè)計了一套無位置傳感器驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可保證機器運行的穩(wěn)定性。文獻[4]利用驅(qū)動輪同步工作的動力學(xué)模型，分解處理機器的每一個動作，實現(xiàn)安全高效的機器切割動作，其創(chuàng)新之處在于能夠滿足繩鋸機的水下切割要求，但是該方法不適用于遠程控制。文獻[5]認為HDFS 手段能夠針對實驗室機器人的運動弱點，調(diào)度一切可利用控制節(jié)點，再根據(jù)Hadoop 框架中各個關(guān)節(jié)組織的力矩特征，建立與驅(qū)動行為相關(guān)的模型應(yīng)用體系。這種方法雖然能夠調(diào)度分屬不同層次的關(guān)節(jié)設(shè)備，但很難從根本上完全激發(fā)實驗室機器人的受控特性。

針對以往研究中存在的遠程控制能力弱，機器人受控程度低的問題，提出Web 下的實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法，利用整體化驅(qū)動結(jié)構(gòu)，分析機器人驅(qū)動運動學(xué)的建模特征，其創(chuàng)新之處在于按照Web 日志的挖掘需求，計算實際控制步長量的具體數(shù)值水平，以訪問數(shù)據(jù)再次定義驅(qū)動遠程機器人關(guān)節(jié)力臂運動節(jié)點的數(shù)據(jù)，并在后續(xù)檢測實驗中，通過PIS 受控系數(shù)、單位時間內(nèi)驅(qū)動步長量兩項指標，突出說明基于Web 拓撲結(jié)構(gòu)的遠程控制方法的實際應(yīng)用能力。

2 實驗室機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模分析

實驗室機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模分析由整體結(jié)構(gòu)搭建、關(guān)節(jié)控制力矩估計、運動學(xué)公式建立三部分組成，具體處理方法如下。

2.1 機器人整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)搭建是實現(xiàn)實驗室機器人遠程控制的核心設(shè)計環(huán)節(jié)，包含驅(qū)動信號接收器、Web 控制主機、信號傳輸裝置、關(guān)節(jié)力臂、控制撥片等多個連接步驟。其中，軌道體位于整個機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的最上部，對所有下級執(zhí)行元件起到負載支撐的作用。驅(qū)動信號接收器與Web 主機共同組成核心控制元件，可按照實驗室機器人的實際運動情況，向外傳輸必要的遠程協(xié)調(diào)指令，進而使位于兩端的軌道體逐漸趨近，促使機器人進入持續(xù)性的行進狀態(tài)。信號傳輸裝置是機器人驅(qū)動平臺的輔助執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可將暫存于Web 主機內(nèi)的遠程控制指令傳輸至其它應(yīng)用設(shè)備中，以保證整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)能夠處于長久穩(wěn)定的執(zhí)行狀態(tài)下[6]?？刂茡芷街陉P(guān)節(jié)力臂的內(nèi)表面，直接控制實驗室機器人每次行進的具體步長值，并以此保證Web 體系始終處于遠程協(xié)調(diào)主機的控制之中。遠程輸出機位于機器人整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)的下端，與物理隔板直接相連，能在輸出控制調(diào)節(jié)指令的同時，阻擋來自其它元件設(shè)備的物理驅(qū)動電流。機器人整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 機器人整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall Drive Structure of Robot

2.2 關(guān)節(jié)控制力矩估計

關(guān)節(jié)控制力矩是指在驅(qū)動性遠程控制的過程中，由關(guān)節(jié)力臂頂端到控制撥片的物理距離。在核心Web 體系保持相對穩(wěn)定的情況下，驅(qū)動信號接收器會向機器人平臺、傳輸裝置等下級設(shè)備連續(xù)發(fā)送定向連接指令，進而使兩個軌道體快速向著中心位置靠近，直至完全相接[7]。在此情況下，控制撥片會因為承載壓力的增加逐漸向上運動，而關(guān)節(jié)力臂會因為控制器的驅(qū)動調(diào)節(jié)作用逐漸向下運動，兩個執(zhí)行設(shè)備之間的物理距離不斷增加，最終與實驗室機器人遠程輸出機的既定步長值完全相等。關(guān)節(jié)控制力矩的實際數(shù)值受到控制撥片位置信息、關(guān)節(jié)力臂位置信息的共同影響，若不考慮其它外部干擾條件，前者對于估計運算處理的作用效果為“正”，后者對于估計運算處理的作用效果為“負”。設(shè)—實驗室機器人關(guān)節(jié)控制行為的上限處理向量—實驗室機器人關(guān)節(jié)控制行為的下限處理向量，q0—控制撥片的原始位置信息，p0—關(guān)節(jié)力臂的原始位置信息，聯(lián)立上述物理量，可將關(guān)節(jié)控制力矩的估計結(jié)果表示為：

式中：q1—控制撥片的真實位置信息；p1—關(guān)節(jié)力臂的真實位置信息；χ—遠程控制指令的驅(qū)動傳輸向量；δ—冪次項應(yīng)用處理系數(shù)。

2.3 驅(qū)動運動學(xué)分析

實驗室機器人的運動主要依靠各關(guān)節(jié)間的相互配合實現(xiàn)，驅(qū)動遠程控制主要指各關(guān)節(jié)力臂的運動行為，特別是位姿變化明顯的控制撥片更是完全滿足參考坐標系的構(gòu)建需求。對于實驗室機器人而言，各力矩角度可以通過驅(qū)動控制器測得，如何根據(jù)關(guān)節(jié)力臂位置和已知控制撥片信息得到準確的位姿數(shù)據(jù)，正是驅(qū)動運動學(xué)所研究的問題，也是實驗室機器人遠程控制過程中所必須的，因為只有實時檢測到各驅(qū)動結(jié)構(gòu)的當前姿態(tài)，才能做出相對合理的Web 控制計劃，保證機器人軀體平衡穩(wěn)定并以正常的步態(tài)行走。驅(qū)動運動學(xué)分析研究的是根據(jù)關(guān)節(jié)控制力矩狀態(tài)規(guī)劃出各力臂末端的連續(xù)位姿軌跡（相對于標準的參考坐標系），可以通過協(xié)調(diào)控制撥片與關(guān)節(jié)力臂間關(guān)系的方式，實現(xiàn)期望狀態(tài)下的軌跡規(guī)劃處理[8]。因此，驅(qū)動運動學(xué)分析是實現(xiàn)實驗室機器人遠程控制的操作基礎(chǔ)，對于模型化的力矩估算問題而言，運動學(xué)是其應(yīng)用關(guān)鍵所在。設(shè)eˉ—驅(qū)動控制器的準行接入均值，y˙—Web 控制體系中實驗室機器人的姿態(tài)驅(qū)動量，聯(lián)立公式（1），可將驅(qū)動運動學(xué)的分析式定義為：

式中：t—遠程驅(qū)動條件下的運動學(xué)指標向量；i1、i2—兩個不同的關(guān)節(jié)力臂姿態(tài)系數(shù)；R—既定運動學(xué)分析指標。

3 基于Web 的遠程控制方法

在實驗室機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)與建模原理的支持下，按照遠程驅(qū)動控制器連接、Web 日志挖掘、實控步長量計算的處理流程，完成實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法設(shè)計。

3.1 遠程驅(qū)動控制器

遠程驅(qū)動控制器是位于實驗室機器人的中部結(jié)構(gòu)體，以PX24506 主板作為核心搭建設(shè)備，由驅(qū)動芯片、控制芯片、Web 芯片、遠程協(xié)調(diào)芯片等多個設(shè)備共同組成。其中，PX24506 主板作為主體承載設(shè)備，執(zhí)行所有與Web 體系相關(guān)的遠程控制指令，直接與機器人整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)相連。驅(qū)動芯片、控制芯片與Web 芯片同處于遠程驅(qū)動控制器的左端，遠程協(xié)調(diào)芯片單獨處于遠程驅(qū)動控制器的右端。驅(qū)動芯片與Web 芯片保持并列相連的接入狀態(tài)，在獲取待挖掘Web 日志信息的同時，利用介質(zhì)導(dǎo)線接收關(guān)節(jié)控制力矩的實際估計結(jié)果[9-10]?？刂菩酒B接線深入遠程控制主機內(nèi)部，能按照驅(qū)動信號接收器中的示數(shù)信息，執(zhí)行驅(qū)動運動學(xué)的建模定義式。遠程協(xié)調(diào)芯片掌管驅(qū)動控制器的通斷連接行為，影響實驗室機器人的實際移動步長，進而協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)力臂與控制撥片間的物理距離。為使遠程驅(qū)動控制器始終處于相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，每個芯片外部都負載一個結(jié)構(gòu)型框架，借助旋調(diào)螺絲直接與PX24506 主板相連。遠程驅(qū)動控制器結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 遠程驅(qū)動控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of Remote Drive Controller

3.2 實驗室機器人的Web 日志挖掘

實驗室機器人的Web 日志挖掘主要針對內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、爬蟲三個方向共同實施。面對內(nèi)容方向的Web 日志挖掘是指從實驗室執(zhí)行網(wǎng)頁中獲取有價值信息的手段，一般可按照實驗室驅(qū)動程序中控制文本的具體分類條件，定義每次實控處理的深度數(shù)值，進而使機器人關(guān)節(jié)控制力矩逐漸貼合驅(qū)動運動學(xué)的建模公式。面對結(jié)構(gòu)方向的Web 日志挖掘是指通過拓撲結(jié)構(gòu)獲取機器人驅(qū)動行為的手段，能夠根據(jù)不同遠程控制節(jié)點所處的位置，調(diào)節(jié)Web目錄內(nèi)的機器人訪問模式，最終獲取與實控步長量相關(guān)的物理實值[11]。面對爬蟲方向的Web 日志挖掘是指以訪問數(shù)據(jù)定義驅(qū)動遠程節(jié)點的手段，可按照機器人關(guān)節(jié)力臂所熟悉的運動行為，規(guī)劃可控性最高的驅(qū)動路徑，最終使得實驗室機器人能在最短時間達到理想目標點。設(shè)Z1—內(nèi)容型Web 日志主體的驅(qū)動深度數(shù)值，Z2—結(jié)構(gòu)型Web 日志主體的驅(qū)動深度數(shù)值，Z3—爬蟲型Web 日志主體的驅(qū)動深度數(shù)值，聯(lián)立式（2），可將實驗室機器人的Web日志挖掘處理公式定義為：

式中：C—Web 控制體系中實際驅(qū)動行為的遠程協(xié)調(diào)系數(shù)；

μ—待挖掘日志的結(jié)構(gòu)化拓撲指標；

l—挖掘處理的實施時長；

Δd—機器人行進位移在單位時間內(nèi)的真實變化量。

3.3 機器人實控步長量計算

機器人實控前進是指在一個控制周期內(nèi)，由遠程驅(qū)動控制器孤極電壓信號引起的結(jié)構(gòu)體運動行為，能夠直接反應(yīng)關(guān)節(jié)力臂的彎曲狀態(tài)。孤極電壓與整體驅(qū)動結(jié)構(gòu)中的電機定子振動、電機轉(zhuǎn)速等參量均保持相關(guān)性聯(lián)系，是一種具有實控能力的物理指標。機器人實控步長量則是指單位時間內(nèi)，每個前進步伐的具體數(shù)量級長度水平，受到多項數(shù)據(jù)參量的直接影響[12-13]。隨著實驗室Web 體系逐漸趨于完整，遠程驅(qū)動控制器所產(chǎn)生的孤極電壓信號也會不斷增大，進而促使電機定子振動、電機轉(zhuǎn)速等指標出現(xiàn)過度上升的變化行為，直至確保機器人結(jié)構(gòu)體呈現(xiàn)平穩(wěn)的前進狀態(tài)。電機定子振動參量常表示為f′，可隨遠程驅(qū)動控制器執(zhí)行時間的增加，而出現(xiàn)明顯的積分性累積，但在變化的過程中受到定積分常量k↑與k↓的共同限制?！姍C轉(zhuǎn)速指標常表示，在單位執(zhí)行時間內(nèi)，直接作用于機器人實控步長量的物理數(shù)值，不受其它任何干擾因素的影響。設(shè)—單位執(zhí)行時長，聯(lián)立式（3），可將機器人實控步長量的計算結(jié)果表示為：

式中：j—實驗室機器人的實控前進標量；η˙—Web 控制體系的驅(qū)動實施參數(shù)；l—遠程驅(qū)動控制器的結(jié)構(gòu)化行為系數(shù)；g—機器人的應(yīng)用步長條件。至此，完成所有執(zhí)行參數(shù)的計算與處理，實現(xiàn)基于Web 體系實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法的順利應(yīng)用。

4 實用檢驗與分析

為驗證Web 下的實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法的實用性能力，設(shè)計如下比照實驗。選取一臺執(zhí)行狀態(tài)相對良好的機器人設(shè)備作為實驗對象，以整個實驗室作為目標實驗區(qū)域，分別將實驗組、對照組協(xié)調(diào)程序輸入機器人設(shè)備之中，其中實驗組檢測計算機搭載新型驅(qū)動遠程控制方法，對照組檢測計算機搭載常規(guī)HDFS 手段，在既定單位時間內(nèi)分別記錄實驗組、對照組指標數(shù)據(jù)的具體變化情況。

4.1 驅(qū)動效應(yīng)環(huán)境

在確保機器人設(shè)備進入穩(wěn)定執(zhí)行狀態(tài)后，借助連接線路將實驗組、對照組記錄數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入檢測計算機中，利用相關(guān)信息處理軟件，分析兩組數(shù)值的真實變化水平，并根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點所處位置，繪制實驗表格及信息曲線，實驗所用的檢測設(shè)備和檢測主機，如圖 3、圖4 所示。

圖3 實驗室機器人設(shè)備Fig.3 Laboratory Robot Equipment

圖4 實驗檢測主機Fig.4 Test Host

4.2 機器人PIS 受控系數(shù)

PIS 系數(shù)直接影響實驗室機器人的受控特性，在不考慮外界干擾的情況下，PIS 系數(shù)指標越高，實驗室機器人的受控能力也就越強，反之則越弱。下表反應(yīng)了60min 的實驗時間內(nèi)，實驗組、對照組機器人PIS 受控系數(shù)的具體變化情況，如表1、表2 所示。

表1 實驗組機器人PIS 受控系數(shù)Tab.1 PIs Control Coefficient of Experimental Group Robot

表2 對照組機器人PIS 受控系數(shù)Tab.2 PIs Control Coefficient of Control Group Robot

對比表1、表2 可知，實驗組、對照組機器人PIS 受控系數(shù)的起始數(shù)值均為1.45，但在整個實驗過程中，實驗組受控系數(shù)一直保持不斷上升的變化趨勢，而對照組受控系數(shù)則維持上升、穩(wěn)定、下降趨勢接連出現(xiàn)的變化狀態(tài)。從極限數(shù)值的角度來看，實驗組機器人PIS 受控系數(shù)的最大值達到2.58，但對照組機器人PIS 受控系數(shù)的最大值僅達到1.56，遠低于實驗組水平。綜上可知，隨著Web 下的實驗室機器人驅(qū)動遠程控制方法的應(yīng)用，PIS 受控系數(shù)達不到理想水平的問題得到有效解決。

4.3 單位時間內(nèi)的驅(qū)動步長量

以5min 作為一個單位時長，分別記錄在8 個單位時長內(nèi)，應(yīng)用實驗組、對照組控制方法后，實驗室機器人驅(qū)動步長量的具體變化情況，如圖5、圖6 所示。

圖5 實驗組驅(qū)動步長量變化圖Fig.5 Driving Step Size Change of Experimental Group

圖6 對照組驅(qū)動步長量變化圖Fig.6 Driving Step Change of Control Group

對比圖5、圖6 可知，在整個實驗過程中，實驗組、對照組驅(qū)動步長量均呈現(xiàn)下降、上升交替出現(xiàn)的變化趨勢，在第（6～7）個單位時長內(nèi)，先后達到極值水平25m 與15m，實驗組數(shù)值遠高于對照組數(shù)值。綜上可知，隨著基于Web 遠程控制方法的應(yīng)用，單位時間內(nèi)機器人驅(qū)動步長實值確實得到了一定程度的促進。

5 結(jié)語

在常規(guī)HDFS 手段的基礎(chǔ)上，新型遠程控制方法聯(lián)合Web 體系，通過估計關(guān)節(jié)控制力矩的方式，形成驅(qū)動運動學(xué)的主要應(yīng)用公式，再根據(jù)挖掘日志的處理行為，重新定義機器人驅(qū)動節(jié)點數(shù)據(jù)，計算實控步長量的數(shù)值水平，實現(xiàn)實驗室機器人驅(qū)動遠程控制。結(jié)合對比實驗數(shù)據(jù)來看，PIS 受控系數(shù)、驅(qū)動步長量均出現(xiàn)不同程度的提升，不僅充分激發(fā)了實驗室機器人的受控特性，也證明Web 拓撲結(jié)構(gòu)在遠程驅(qū)動策略中確實具備較強的應(yīng)用主導(dǎo)價值。