基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)設計

高永香，賈 瓊，蘇云峰，劉晨婧

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122；2.東軟教育科技集團，沈陽 110179)

0 引言

隨著機器人技術的不斷發(fā)展，多類別機器人已經應用于工業(yè)、農業(yè)、安防、消防等多個領域，極大程度降低了人員勞動力輸出，提升了單位時間下的工作效率。一些特殊高危作業(yè)環(huán)境，機器人的應用最大化保障了人員作業(yè)安全，降低作業(yè)風險。

在諸多機器人中，爬壁機器人是近幾年新興的機器人。利用真空吸附原理，配合當下網絡智能控制技術，使爬壁機器人能夠適應不同作業(yè)環(huán)境。其中爬壁過程中吸附控制的精準度，直接決定著爬壁機器人的爬壁性能。因此爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)控制量必須滿足較高的精度。通過對當下系統(tǒng)控制量分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)爬壁機器人控制系統(tǒng)針對吸附控制的精度普遍存在誤差，究其原因，主要由反饋數據與控制數據之間變量在同步過程中出現(xiàn)數據不對稱所導致。解決控制數據的同步對稱問題是提升控制系統(tǒng)的核心。通過對D-H參量的研究發(fā)現(xiàn)，基于D-H參量的控制數據，具有較高的數據同步對稱性[1]，因此提出基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)設計，通過設計基于D-H參數的硬件與軟件，完成對控制數據的同步對稱優(yōu)化，提升控制精度。

1 基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設計

基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設計如圖1所示，總共分為兩個部分：

圖1 基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設計示意圖

1)控制參量的D-H參量分析計算硬件部分，主要用于爬壁機器人吸附控制的D-H參量相關數據的分析計算。其中主要通過基于D-H參量設計生產的相關器件組合，實現(xiàn)對機器人行進過程中全局軸線數據的測量，結合硬件TCP中心數據工具，完成對機器人吸附行進過程中不同硬件傳感器數據的匯總，形成可引導后續(xù)D-H參數模型計算的擬合數據平臺。

2)基于D-H參量的控制變量計算程序，即系統(tǒng)的軟件部分。其中根據軟件實現(xiàn)功能的不同，可分為爬壁機器人吸附參數同步對稱程序與控制精度優(yōu)化程序。通過對硬件平臺擬合數據的分析計算和對機器人TCS固定矩陣數據的變換，獲得機器人擬合形態(tài)下的非線性運動曲線，通過D-H參數將其運動模型量坐標映射于控制接口之上，實現(xiàn)不同傳感器之間數據的實時交互，保證不同運動軸數據與D-H參量的耦合性，從而獲得最優(yōu)的、連續(xù)、完整的控制輸出量。

2 爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)硬件設計

所設計爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)硬件，包括處理模塊及遙感控制模塊，處理模塊以S6C4500中央微型控制器為核心，完成處理模塊功能的實現(xiàn)，遙感控制模塊通過八向無線控制遙感器KJ-F6000X-T6實現(xiàn)機器人運動控制，完成爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)硬件設計。

2.1 處理模塊設計

根據上述系統(tǒng)整體設計框架中硬件設計方案，結合當下爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)存在的控制問題，從設計硬件層全局入手對硬件進行設計。硬件設計共分為兩部分，分別負責參數處理與數據控制。

負責參數處理的硬件處理模塊，其設計結構主要包括：基于ARM11架構[2]的S6C4500中央微型控制器以相關功能的外部電路、DT46C1050無線通信網卡及動態(tài)陀螺儀控制器。

處理模塊設計充分考慮到爬壁機器人在吸附過程中的數據處理量特點，針對數據量基數大，并發(fā)同步性強的剛性條件做了針對性設計。采用基于ARM11架構的S6C4500中央微型控制器作為硬件結構的核心處理主控，支持對D-H參數的多路數據同步擬態(tài)，能夠對爬壁機器人吸附過程中的全局數據進行實時穩(wěn)定處理。通過S6C4500中央微型控制器內部集成的基于D-H參數采集A/D編碼器，能夠瞬態(tài)將機器人姿態(tài)數據、壓力數據、位置數據、氣壓數據等不同傳感器收集的數據進行模擬信號的數字化擬態(tài)處理，通過DT46C1050無線通信網卡高速交互信道，將處理指令數據出送至動態(tài)陀螺儀控制器，完成對機器人吸附姿態(tài)等控制變量的控制操作，保證控制的實時性與可靠性。

處理模塊結構設計如圖2所示。

圖2 處理模塊功能實現(xiàn)過程原理

處理模塊功能實現(xiàn)過程原理如圖3所示。

圖3 處理模塊功能實現(xiàn)過程原理

總體來說，處理模塊能夠對爬壁機器人吸附控制過程中的數據同步的對稱性與實時性進行保障。

2.2 遙感控制模塊設計

遙感控制模塊設計采用支持D-H參數控制數據的八向無線控制遙感器KJ-F6000X-T6。能夠對爬壁機器人吸附過程中前、后、左、右、左前方、右前方、左后方、右后方以及吸附壓力增加與減小進行控制。

遙感控制模塊設計數據的遙感器內部集成了一個基于D-H參數計算的MUC與4個15 kΩ的觸控變阻器以及一個無線射頻信號發(fā)生器。設計硬件控制實現(xiàn)過程如下：當觸控變阻器感應到電路電壓時，觸控區(qū)域電壓值會根據遙感器控制方向變化而發(fā)生改變，通過電壓值改變系數所對應的控制指令集，完成MUC控制機構對指令的發(fā)送。根據爬壁機器人運動過程中吸附數據的變化，通過控制吸附馬達工作功率，調整機器人行進速度，配合方向控制，完成爬壁機器人的運動操作。遙感控制模塊驅動電路如圖4所示。

圖4 遙感控制模塊驅動電路

3 基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)軟件

3.1 基于D-H參數的吸附同步對稱程序設計

完成硬件設計后，根據設計硬件性能對其進行軟件程序適配設計。軟件程序設計根據硬件功能劃分，對應分為兩部分，首先為基于D-H參數的吸附同步對稱程序的設計。程序基于D-H參量的空間對稱控制特征，對機器人吸附過程中的空間坐標量進行同步協(xié)調，利用笛卡爾空間坐標控制量映射，完成吸附同步過程中的參量對稱優(yōu)化。軟件功能實現(xiàn)的具體流程如下：

在機器人吸附過程中，將此狀態(tài)下的X1、Y1設置為機器人D-H參量的初始坐標系數參量。將機器人控制遙感器的控制數據映射于MUC D-H參量的速度量。

根據速度運動模型可知，機器人在吸附運動過程中，行進坐標數據在卡迪爾空間[3-6]所對應的X1與Y1方向上的速度量可通過計算獲得，在此情況下機器人吸附行進的不同位置上傳感器反饋數據K2、K3與K4的同步對稱情況可分為2種情況：

1) 機器人吸附腔體內氣塞的抬起與放下。如圖5(a)所示，當D1代表吸附氣塞受力點時，換氣塞D2向上抬起，若此時D2代表吸附氣塞受力點，如圖5(b)所示，可知此時的換氣塞D1的控制運動方向為向下運動。受力氣塞與換氣塞數據不同步時，相同的作用效果，會促使換氣塞在Y1方向上形成反方向運行效果。為了保證控制遙感器觸控方向控制軸數據與機器人運動數據映射結果不受力氣塞數據不同的影響，當D1代表吸附氣塞受力點時，y→by；當D2為吸附氣塞受力點時，y→-by。其中，y代表觸控方向控制軸y軸的值，by代表機器人換氣塞沿Y1方向活動頻率，箭頭代表映射標簽。

圖5 吸附氣塞吸附數據同步過程

2)爬壁機器人移動數據同步。如圖6所示，若D1或D2代表吸附氣塞受力點，坐標點正向位移代表機器人前進，坐標點正向位移代表機器人后退，遙感器觸控方向控制軸數據與機器人運動數據映射結果為：x→bx，其中，x代表觸控方向控制軸x軸的值，bx代表機器人換氣塞沿X1方向活動頻率。

圖6 吸附氣塞移動數據同步過程

3.2 基于D-H參數的控制程序設計

完成爬行機器人數據同步程序設計后，對同步后的控制量進行數據精度控制程序設計。設計同樣采用基于D-H參量的擬合控制算法作為程序設計核心。結合機械力學與運動力學，對爬行機器人吸附過程中的數據控制量進行機械量拆分，利用D-H參量控制模型對差分量進行小范圍精度優(yōu)化，最終將多個優(yōu)化精度量擬合，獲得高精度的控制輸出量。

基于上述設計思想，對基于D-H參數的控制程序設計功能實現(xiàn)原理，做如下詳細描述。

設計程序中構建的控制機輪模型如圖7(a) 所示，核心主牽動臂帶動從機輪沿牽動臂運動方向往復運動，再次控模型中，運動控制量形成一個閉環(huán)數據鏈。控制模型映射于爬壁機器人相關器件的運動過程如圖7(b) 所示。

在程序設計中，主要工作機制是對機器人控制機輪組信號進行控制，通過對其中的直齒齒輪表面摩擦系數進行過濾，獲得動力機輪工作面上的反向動力數據。根據機輪接觸面積對機器人輸出控制量精度優(yōu)化閾值進行動態(tài)設定。當機輪接觸面對應的摩擦系數較小時，其產生的影響效果可忽略不計[7-9]。當機輪組接觸面滿足了嚙合切角大于預設角度時，此時僅對切角形成方向上的切向力fR進行計算。設計程序對此狀態(tài)下的控制量精度優(yōu)化范圍進行取值，采用基于運動等效的D-H參量，將整體控制變量分為機輪變量控制量與封閉數據鏈控制量兩部分，如圖7(c)、(d)所示。

圖7 基于D-H參數的控制程序對機器人機輪組信號控制原理

當處于封閉數據鏈控制狀態(tài)時，受到垂直負壓參量變化的影響，控制機輪牽引臂帶動數據會增大[13-15]，因此需要在原有控制變量數據的基礎上，引入垂直負壓參量進行綜合控制量輸出精度閾值分析，獲得引入垂直負壓參量后的控制量。

4 實驗結果與分析

對設計的基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)對輸出量控制精度進行對比實驗。

4.1 實驗配置

為了保證實驗數據的客觀性，實驗將采用傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)與基于分布式技術的控制系統(tǒng)兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行數據對比。實驗步驟如下：

在相同實驗環(huán)境下，設計系統(tǒng)將分別同兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行控制精度對比實驗。測試過程中，接受測試的系統(tǒng)會對設定好的爬壁機器人吸附動作進行控制，并對控制過程中的指令控制數據日志鍵值進行對比，根據鍵值指標，綜合量種系統(tǒng)下設計系統(tǒng)的對比數據做出測試結論。

4.2 設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)對比數據

對設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)進行控制精度實驗，實驗結果如表1所示。

表1 設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)控制精度實驗結果

通過對比表2實驗結果發(fā)現(xiàn)，提出的設計系統(tǒng)各項控制參量系數均在標準范圍之內，且由于傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)控制參量；從數值大小可以看出，提出的設計的系統(tǒng)控制精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于PLC技術的控制系統(tǒng)控制參量系數值。因此，此次實驗設計系統(tǒng)符合提升控制精度設計標準。

4.3 設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術的控制系統(tǒng)對比數據

基于上述測試環(huán)境，對設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術的控制系統(tǒng)進行控制精度實驗，實驗結果如表2所示。

表2 設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術的控制系統(tǒng)控制精度實驗結果

通過對比表2實驗結果發(fā)現(xiàn)，提出的設計系統(tǒng)各項控制參量系數均在標準范圍之內，且由于傳統(tǒng)基于分布式技術的控制系統(tǒng)控制參量；從數值大小可以看出，提出的設計的系統(tǒng)控制精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于分布式技術的控制系統(tǒng)控制參量系數值。因此，此次實驗設計系統(tǒng)符合提升控制精度設計標準。

綜上所述，結合兩次實驗對比數據分析后可作出如下結論：在對爬壁機器人移動控制上，設計系統(tǒng)具有較高的控制精度；在對爬壁機器人吸附控制上，設計系統(tǒng)具有較高的控制精度；在對爬壁機器人指令控制上，設計系統(tǒng)具有較高的控制精度；基于上述控制精度數據，可以證明提出的基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)設計，具有提升爬壁機器人吸附控制精度的效果。

5 結束語

文章針對當下爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)，存在的控制精度低問題進行了深入分析，對數據系統(tǒng)控制同步不對稱癥結引入了D-H參量進行解決，提出了基于D-H參數的爬壁機器人吸附控制系統(tǒng)設計，通過基于D-H參數的硬件與軟件設計，完成系統(tǒng)設計。通過實驗對比數據，證明了設計系統(tǒng)具有提升控制精度的效果。所設計系統(tǒng)的提出與可行性論證，為爬壁機器人及其控制系統(tǒng)的日后研發(fā)，提供了新的解決方案。隨著爬壁機器人技術的不斷發(fā)展，設計系統(tǒng)仍舊具有升級優(yōu)化的空間。