高空帶電機(jī)器人軌跡跟蹤與控制研究

胡仕成，陳志高，黎新齊

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

由于高壓電網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路長(zhǎng)、分布廣、線(xiàn)路環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)空間狹小等特點(diǎn)，給人工帶電作業(yè)開(kāi)展帶來(lái)巨大困難，高空帶電機(jī)器人的出現(xiàn)可以有效地解決上述困難。通過(guò)自主和遙控操作靈活切換能替代人完成復(fù)雜環(huán)境下的支線(xiàn)線(xiàn)路引線(xiàn)搭接等高危工作。

由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和控制系統(tǒng)存在的滯后性，導(dǎo)致了高空帶電機(jī)器人工作效率和工作精度的低下，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化和智能化，需要一種高空帶電機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度。

相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士提出了一種作業(yè)平臺(tái)的軌跡跟蹤控制方法，通過(guò)對(duì)液壓閥控系統(tǒng)特性研究，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PID控制器優(yōu)化其系統(tǒng)，使得工作斗位置跟蹤波動(dòng)范圍小于±200mm，采用PID 控制、負(fù)反饋以及前饋的復(fù)合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)臂架直線(xiàn)軌跡控制。

針對(duì)高空帶電機(jī)器人臂架控制問(wèn)題，本文通過(guò)建立高空帶電機(jī)器人臂架三維模型和臂架系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，對(duì)臂架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出抓手相應(yīng)軌跡下兩個(gè)變幅液壓缸的運(yùn)行軌跡，并提出了一種PID 優(yōu)化控制方法來(lái)提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度。并在MATLAB/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真，比較優(yōu)化前后系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

1 高空帶電機(jī)器人的臂架控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 臂架三維模型

高空帶電機(jī)器人主要包括臂架系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，臂架系統(tǒng)包括底座1、豎直臂2、水平桿3、伸縮桿4、擺動(dòng)桿5、抓手6 組成。臂架系統(tǒng)如圖1 所示。

1.2 臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及軌跡跟蹤

根據(jù)臂架系統(tǒng)原理，建立臂架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2 所示：將高空帶電機(jī)器人工作臂簡(jiǎn)化為四關(guān)節(jié)的機(jī)器人手臂，采用D-H 坐標(biāo)法對(duì)臂架四個(gè)桿件建立相對(duì)坐標(biāo)系，并引入連桿扭角α，連桿長(zhǎng)度a，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ，關(guān)節(jié)距離d 四個(gè)參數(shù)來(lái)描述每個(gè)桿件的相對(duì)位置，建立其臂架的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型。

圖1 高空帶電機(jī)器人三維模型

圖2 D-H 坐標(biāo)系

如圖2 所示，以O(shè) 點(diǎn)作為作為整體參考坐標(biāo)原點(diǎn)，四個(gè)桿件從原點(diǎn)開(kāi)始編號(hào)，分別依次為1、2、3、4 號(hào)桿件，桿件長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)記為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，以各桿件首端位置作為局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即圖2 中的O 點(diǎn)、A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)，桿件與其局部坐標(biāo)系x 軸之間的夾角為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θi，i=1，2，3，4；di為接續(xù)公垂線(xiàn)的偏距，即相鄰桿件的軸向的距離。運(yùn)用機(jī)器人學(xué)，根據(jù)Craig D-H 坐標(biāo)系，得到桿件坐標(biāo)系下相鄰桿件之間的位姿矩陣：其分別表示桿件首端相應(yīng)于局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

根據(jù)各個(gè)相鄰關(guān)節(jié)的坐標(biāo)變換矩陣，可以得到第四關(guān)節(jié)相對(duì)于整體坐標(biāo)原點(diǎn)變換矩陣。

由于建立的D-H 坐標(biāo)系是Craig D-H 坐標(biāo)系，所以還需要建立第四關(guān)節(jié)末端D（即高空帶電機(jī)器人抓手位置）相對(duì)于整體坐標(biāo)原點(diǎn)的變換矩陣，首先，D 點(diǎn)相對(duì)于局部坐標(biāo)系4 的位置變換矩陣為：

由此坐標(biāo)系可以得出D 點(diǎn)相對(duì)于整體坐標(biāo)系原點(diǎn)的變換矩陣為：

由式（8）可以得出臂架關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ 與抓手在基坐標(biāo)系間的幾何關(guān)系：

故高空帶電機(jī)器人臂架末端抓手坐標(biāo)為：

為方便輸出圖形，只關(guān)注遍歷算法，不用思考計(jì)算輸出圖形的坐標(biāo)位置，因此不考慮在命令行中打印二叉樹(shù)，而是采用DOT圖形描述語(yǔ)言。DOT是純文本圖像描述語(yǔ)言，文件擴(kuò)展名通常是.dot，需要有專(zhuān)門(mén)的程序處理這些文件并將其渲染成為圖片。Graphviz是貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)源的圖像可視化的軟件，它使用dot作為腳本語(yǔ)言，然后使用布局引擎來(lái)解析此腳本，并完成自動(dòng)布局。

高空帶電機(jī)器人的最大作業(yè)高度為：

最遠(yuǎn)工作長(zhǎng)度為：

機(jī)器人工作臂的 D-H 參數(shù)表，如表1 所示。

表1 臂架Craig D-H 參數(shù)表

2 臂架液壓數(shù)學(xué)模型的建立

高空帶電機(jī)器人臂架液壓控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制，由高空帶電機(jī)器人臂架采用的是變幅液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)電液比例換向閥的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓缸的工進(jìn)和返回的。接下來(lái)，將根據(jù)電液比例系統(tǒng)原理進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，推導(dǎo)出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

電液比例閥的數(shù)學(xué)模型為：

參考文獻(xiàn)得閥控液壓缸的傳遞函數(shù)可以近似為：

位移傳感器的數(shù)學(xué)模型視為比例環(huán)節(jié)：

綜上所述，電液比例系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

臂架變幅液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)數(shù)值如表2 所示：

表2 數(shù)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)

3 MATLAB/Simulink 建模及仿真分析

為了驗(yàn)證PID 的控制效果，建立PID 優(yōu)化控制系統(tǒng)仿真模型，仿真模型如圖3 所示，模型包括目標(biāo)響應(yīng)環(huán)節(jié)、實(shí)際響應(yīng)環(huán)節(jié)和PID 響應(yīng)環(huán)節(jié)三個(gè)部分組成，主要對(duì)其三種環(huán)節(jié)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，其中目標(biāo)響應(yīng)環(huán)節(jié)和實(shí)際響應(yīng)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置與上文相同，PID 響應(yīng)環(huán)節(jié)首先要對(duì)PID 控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，PID 參數(shù)設(shè)置方法包括試湊法、Ziegler—Nichols 整定法、臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法等方法。該仿真通過(guò)試湊法對(duì)PID 控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)，獲得系統(tǒng)最優(yōu)響應(yīng)。

圖3 變幅液壓系統(tǒng)PID 優(yōu)化仿真模型

經(jīng)過(guò)多次對(duì)PID 控制器三個(gè)系數(shù)的調(diào)節(jié)和響應(yīng)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的比較，發(fā)現(xiàn)在比例系數(shù)取值為15、積分系數(shù)取值為0.1、微分系數(shù)取值為0.001 的情況下，系統(tǒng)響應(yīng)最優(yōu)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，滯后程度較低，PID 優(yōu)化后的控制系統(tǒng)在給定階躍控制信號(hào)后，1 秒達(dá)到期望值，相對(duì)優(yōu)化前的響應(yīng)滯后7 秒，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了85.7%，但只是在響應(yīng)期間，有輕微的波動(dòng)，由于對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生較大影響，可以忽略。

PID 優(yōu)化后的控制系統(tǒng)在給定正弦信號(hào)后，系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)與目標(biāo)曲線(xiàn)非常接近，只是有0.2 秒的滯后，其響應(yīng)的峰值也完全相同，相對(duì)于優(yōu)化前的系統(tǒng)響應(yīng)，在響應(yīng)時(shí)間上和控制信號(hào)的期望響應(yīng)上面都有較大的改善，綜合性能有了很大提高。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)高空帶電機(jī)器人臂架運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，首先，簡(jiǎn)化臂架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用D-H 坐標(biāo)法建立臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到機(jī)器人抓手的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。其次，臂架液壓控制系統(tǒng)與PID 控制相結(jié)合，可以有效解決系統(tǒng)響應(yīng)滯后的問(wèn)題，階躍控制信號(hào)在PID 優(yōu)化控制后，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短85.7%，正弦控制信號(hào)較優(yōu)化前系統(tǒng)響應(yīng)縮短至0.2 秒，響應(yīng)峰值也與目標(biāo)值完全相同。

圖4 PID 優(yōu)化前后的系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)比圖