雙機器人協(xié)同控制研究綜述①

陳 陽,鄭甲紅,王 婧

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,西安 710021)

20世紀,隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和日漸成熟,機器人被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域中,為工業(yè)生產(chǎn)需求提供了很多便利.由于工業(yè)生產(chǎn)愈加復(fù)雜的工況要求,單機器人已經(jīng)很難滿足作業(yè)要求,眾多科研工作者對雙、多機器人系統(tǒng)展開了深入研究[1–3].同時需要注意的是雙機器人與雙臂機器人并不相同,雖然兩者同樣是使用兩機械臂協(xié)同作業(yè),但雙臂機器人只需一套控制系統(tǒng)和一套坐標系,而雙機器人需要兩套控制系統(tǒng)和兩套坐標系.本文針對的是雙機器人協(xié)同控制.與單機器人作業(yè)相比,雙機器人作業(yè)可被用于很多工況復(fù)雜環(huán)境場合,具有更大的靈活性和負載能力[4–7],也具有更高的可靠性.然而,雙機器人協(xié)同作業(yè)在具有更多優(yōu)點的同時,也在研究過程中面臨更復(fù)雜的問題.本文針對雙機器人系統(tǒng)涉及的動力學(xué)模型建立、軌跡規(guī)劃問題[8,9]以及雙機器人作業(yè)中的協(xié)同控制問題等3 方面研究工作的內(nèi)容,分析雙機器人系統(tǒng)目前存在的技術(shù)漏洞和技術(shù)難點,指出未來發(fā)展的方向.

1 雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)分類

1.1 機器人特性分類

按照機器人運動特性來分類,機器人可分為以下3 類.

(1)底座固定機器人.此類機器人最大的特點是基座常用鉚釘?shù)任锢砑s束固定在地面上,例如文獻[10–12]提到的機器人.即機器人的基坐標位置固定,且在整個作業(yè)過程中都不會發(fā)生變化,因此使用此機器人避免了各機器人基座坐標系的坐標轉(zhuǎn)換,更易獲得各機器人的相對位置.

(2)移動機器人.與基座固定機器人相比,移動機器人的工作場所更廣闊,但同時移動機器人的動力學(xué)特性和各機器人之間的坐標關(guān)系也更復(fù)雜,如文獻[13–15]均對此作了詳細分析和論述.然而由于雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用場合限制,所以常采用固定機器人,本文以基座固定機器人為論述重點.

(3)空間機器人.空間機器人是在空間環(huán)境中活動的,代替人類完成工作的機器人.空間機器人可以分為遙操作機器人、自主機器人兩種.例如,空間機器人可以用于代替人類在高空中完成一些地面機器人無法滿足的工作.而空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大,空間機器人工作在微重力環(huán)境中,空間機器人與地面機器人的要求也必然不相同,有它自身的特點.

1.2 雙機器人作業(yè)應(yīng)用分類

與單機器人作業(yè)相比,雙機器人作業(yè)可被用于更為復(fù)雜的應(yīng)用場合,常用的雙機器人協(xié)作被用到軸孔裝配、復(fù)雜路徑焊接、搬運大型物體或重型物體等場合,具有更大的靈活性[16]和負載能力[17],也具有更高的魯棒性[18].

(1)軸孔裝配[19–21].在人力勞動密集的裝配中,可采用雙機器人代替雙手進行統(tǒng)一簡單的裝配.例如使用雙機器人進行螺栓螺母裝配,一個機器人精準定位到軸孔位置,將螺栓安裝在對應(yīng)位置,另一機器人根據(jù)螺栓位置,持有螺母,到達相應(yīng)位置,兩機器人相互配合擰緊螺母,完成裝配.這類應(yīng)用需要機器人具有極高的定位能力和極強的柔順性,才能完成螺栓螺母裝配的取、放、擰緊這一系列需求,如圖1所示.

圖1 雙機器人軸孔裝配

(2)復(fù)雜路徑焊接[22–24].使用雙機器人進行較為復(fù)雜需求的路徑焊接,即一個機器人搬運抬起被操作物體,根據(jù)復(fù)雜焊縫的最佳起始焊點規(guī)劃此機器人運動位置及位姿,另一機器人為焊接機器人,對復(fù)雜焊縫進行焊接,如圖2所示.

圖2 雙機器人復(fù)雜路徑焊接

(3)搬運物體[25–27].采用雙機器人協(xié)作搬運的物體,一般多是尺寸較大或質(zhì)量較大的物體.根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求雙機器人共同完成對被操作對象的抬起、運動、放下等.較為常見的雙機器人搬運,是在雙機器人將需求抬起被操作物體到相應(yīng)位置后,由其他的焊接機器人對其進行焊接,如圖3所示.

圖3 雙機器人搬運物體

1.3 雙機器人應(yīng)用耦合分類

雙機器人協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用大致可以分為兩類:

(1)緊協(xié)調(diào)任務(wù)[28],例如雙機器人對大型重型物體的搬運過程,各機器人與工件間均無相對運動,且保持位姿和速度的嚴格同步,此類任務(wù)中各機器人均與被操作物體直接接觸,且末端執(zhí)行器有力的產(chǎn)生,則對于此類任務(wù)各機器人末端位姿滿足:

其中,x1和x2分別表示兩搬運機器人末端位置矩陣,U為兩搬運機器人間的齊次變換矩陣.

(2)松協(xié)調(diào)任務(wù)[29],例如對搬運機器人所搬運的工件使用焊接機器人焊接等,則對于此類任務(wù)各機器人末端位姿滿足:

與式(1)中緊協(xié)調(diào)關(guān)系不同的是,松協(xié)調(diào)表示焊接機器人和搬運機器人間可能存在著一定的相對位移α (t),α(t)為時變向量.

由于松協(xié)調(diào)任務(wù)中各機器人有獨立的操作對象且不構(gòu)成統(tǒng)一的閉鏈機構(gòu),所以解決緊協(xié)調(diào)形勢下的雙機器人協(xié)調(diào)運動控制問題更困難,由于各機器人在消除位置誤差時,末端執(zhí)行器會產(chǎn)生一些力的作用,一部分力用來調(diào)整機器人位置,另一部分力會在機器人與被操作物體之間形成內(nèi)力.如果誤差較大,則會在閉鏈系統(tǒng)中產(chǎn)生巨大的內(nèi)力,導(dǎo)致被操作物體或搬運機器人扭曲或損壞.

2 雙機器人協(xié)同系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

要想?yún)f(xié)調(diào)好雙機器人系統(tǒng)作業(yè)時的運動必須要建立一個能精確描述包含被操作物體在內(nèi)的系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型.要建立數(shù)學(xué)模型,首先要對其幾何模型進行分析,得出其運動規(guī)律生成其物理模型,通過對物體模型中各參數(shù)變量之間的關(guān)系,確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程,得出其動力學(xué)特性,即可搭建數(shù)學(xué)模型.而這個模型既要反映機器人的動力學(xué)特性又要包括操作對象的動力學(xué)特性.搭建數(shù)學(xué)模型的過程如圖4所示.

圖4 數(shù)學(xué)模型搭建過程

2.1 機器人運動學(xué)關(guān)系與動力學(xué)特性

對于雙機器人協(xié)同控制,常采用6 自由度垂直型關(guān)節(jié)機器人.建立單個機器人系統(tǒng)的動力學(xué)特性,是建立雙機器人協(xié)同系統(tǒng)的基礎(chǔ).目前的研究對單個機器人的動力學(xué)特性,已經(jīng)取得了較為統(tǒng)一的標識,如文獻[30–34]均采用了如下形式的動力學(xué)方程:

其中,qi,,分別為機器人的關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度和關(guān)節(jié)加速度;Mi(qi)∈Rn×n為對稱正定慣性矩陣;Ci(qi,q˙i)∈Rn×n為哥氏力與向心力矩陣,Gi(qi)∈Rn為重力作用矩陣;τi為機器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩;Ji(qi)∈Rn×n為雅克比矩陣.雅克比矩陣是反映機器人關(guān)節(jié)速度到末端執(zhí)行器運動速度變換關(guān)系的矩陣;Fei∈Rn為機器人末端的輸出作用力.對于一般的工業(yè)機器人而言,n=6.

考慮一個含有2 個6 自由度機器人機器人協(xié)同系統(tǒng),由式(6)可得出雙機器人數(shù)學(xué)模型為:

其中,

在現(xiàn)實環(huán)境中應(yīng)用時,式(4)的許多參數(shù),如慣性、哥氏力與向心力等大多采用估算的方法,難以獲得精確數(shù)據(jù).由于機器人動力學(xué)方程是機器人控制的基礎(chǔ),動力學(xué)特性不精確,這就導(dǎo)致機器人在作業(yè)過程中有可能出現(xiàn)一些磨損、干擾和噪音,從而影響機器人工作性能或造成一定的破壞.

針對此問題,許多研究者作出了改進,如文獻[35]中,顧新興等基于式(3)的動力學(xué)方程引入了一個有界的不確定項di(qi,q˙i,t)∈R6,它表示非精確動力學(xué)特性下隨時間所受的干擾.利用滑模誤差得出其相對各參數(shù)的補償修正量,使整個系統(tǒng)在一定限制條件下具有較好的魯棒性和動態(tài)性能.

另外還有一些研究者通過在控制過程中補償各參數(shù),如文獻[36],Huang 等設(shè)計了自適應(yīng)控制器,用以適應(yīng)機器人工作空間,可以緩解各參數(shù)的不確定性.研究動力學(xué)方程是為了更精確的控制機器人,從控制效果來看文獻[36]較傳統(tǒng)方法會更好,也會更精確方便.

2.2 被操作物體動力學(xué)特性

目前,大多數(shù)雙機器人協(xié)同控制只考慮了機器人動力學(xué)特性,而忽略了被操作物體的動力學(xué)特性.為使雙機器人協(xié)同系統(tǒng)動力學(xué)模型更加精確,需對被操作物體進行運動學(xué)分析,建立他的動力學(xué)模型.工業(yè)生產(chǎn)中,常用的被操作對象多為剛性物體,其動力學(xué)模型類似于機器人動力學(xué)模型,例如文獻[37,38].

其中,x∈R6為被操作對象的質(zhì)心在世界坐標系的位姿;M0,C0,G0與式(3)中的對應(yīng)項含義相同;F0為各機器人在被操作物體上的接觸力矢量,Fenv為環(huán)境在被操作物體上的接觸力矢量.

當被操作對象在受到外力無形變發(fā)生時,式(5)中的動力學(xué)模型成立.但對于一些具有柔性特征的物體[1],例如布料、書籍等,式(5)不滿足其動力學(xué)特性,需重新考慮.本文主要針對剛性被操作物體進行分析.

上述式(4)和式(5)分別為機器人動力學(xué)模型和被操作物體動力學(xué)模型,將兩者結(jié)合即是整個協(xié)同系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.

3 雙機器人軌跡規(guī)劃問題

機器人的軌跡,是指操作臂在運動過程中的位移、速度和加速度.軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求,計算出預(yù)期的運動軌跡.軌跡規(guī)劃問題的目的是在無碰撞、無奇點條件下,尋找從起始位置到達目標位置的最優(yōu)路徑.路徑的優(yōu)劣取決于規(guī)劃算法的優(yōu)劣.依據(jù)算法原理,機器人路徑規(guī)劃算法大致分為:傳統(tǒng)算法(如Dijkstra算法、LPA*算法、A*算法等)、智能算法(如粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法等)和其他算法[39].由于軌跡規(guī)劃方法具有通用性,即下述單機器人或多機器人軌跡規(guī)劃方法同時可用于雙機器人軌跡規(guī)劃問題做參考.

3.1 傳統(tǒng)算法

早在1959年,Dijkstra 就提出了Dijkstra (迪杰斯特拉)算法[40].該算法采用貪心模式,其目的是解決單個節(jié)點到另一節(jié)點最短路徑問題,其主要特點是每次迭代時選擇的下一節(jié)點是當前節(jié)點最近的子節(jié)點,即每一次迭代行進的路徑最短,在每一次迭代過程中,都要對所有節(jié)點之前的最短路徑進行更新.近年來,有些學(xué)者通過對Dijkstra 算法改進,得出了更優(yōu)化軌跡.李勁等[41]提出了利用鏈接圖法建立規(guī)劃環(huán)境模型,該論文將規(guī)劃分為兩個層次:用Dijkstra 算法求鏈接圖的最短路徑,得到初始路徑點;用競選算法來調(diào)整各個初始路徑點,得到最優(yōu)的或近似最優(yōu)的移動路徑點.分析結(jié)果表明該方法是有效的.

A*算法是一種啟發(fā)式搜索算法,即在搜索過程中建立啟發(fā)式搜索規(guī)則,來衡量實時位置與目標位置的距離關(guān)系,使搜索方向優(yōu)先指向目標位置,從而提高搜索效率.

LPA* (life planning A*)算法[42]是Koening 等在2004年提出的.該算法是基于A*算法的增量啟發(fā)式搜索算法.張汝波等[43]針對復(fù)雜不確定的作業(yè)環(huán)境,將基于動態(tài)權(quán)值LPA*算法與基于威脅的變步長滾動時域預(yù)測策略相結(jié)合,提出一種規(guī)劃修復(fù)方法.該方法解決了水下機器人在航行過程中遇到突發(fā)威脅時規(guī)劃修復(fù)的問題.

3.2 智能算法

粒子群優(yōu)化算法[44]是由Eberhart 博士和Kennedy博士發(fā)明,是通過模擬鳥群覓食行為而發(fā)展起來的一種基于群體協(xié)作的隨機搜索算法.通常認為它是群集智能 (swarm intelligence,SI)的一種.粒子群優(yōu)化算法由于其簡單容易實現(xiàn),目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用.

段晉軍[45]提出了一種基于面向被操作對象的分層規(guī)劃算法,采用粒子群優(yōu)化算法求解被操作對象被操作對象的參考坐標系在世界坐標系的相對位姿,然后根據(jù)實際應(yīng)用規(guī)劃被操作對象的軌跡.根據(jù)被操作對象與機器人末端的約束關(guān)系,解出各機器人的運動軌跡.最終得到的軌跡滿足焊接機器人船形焊的要求.

與段晉軍文章有共通之處的是,潘建龍等[46]提出了使用遺傳算法尋找焊接工件的最優(yōu)焊接位置,計算出焊接的運動軌跡,根據(jù)焊接工件與機器人的運動關(guān)系,計算出機器人的運動軌跡.二者都是通過規(guī)劃被操作對象運動軌跡去規(guī)劃機器人軌跡.而不同點在于一個采用了粒子群優(yōu)化算法,另一個采用了遺傳算法,兩相對比,遺傳算法中以前的知識隨種群而變化,而粒子群優(yōu)化算法保存所有好的解的粒子,沒有交叉和變異工作,因此粒子群優(yōu)化算法原理更加簡單,參數(shù)更少,更易于實現(xiàn).

Nazarahari 等[47]基于傳統(tǒng)遺傳算法的基礎(chǔ)上,提出了采用5 個定值的交叉和變異碰撞算子來改進遺傳算法,從而改進路徑.

人工勢場法是路徑規(guī)劃常用方法之一,是由Khatib提出的一種虛擬力法[48].它的基本思想是將環(huán)境視為一個人造引力場,機器人的運動視為引力場中的運動,定義目標點對機器人有引力作用,障礙物對機器人有排斥力[49],最后通過兩者力結(jié)合來控制機器人的運動.因為人工勢場法規(guī)劃軌跡同時保證了避障問題,所以大多軌跡都比較平滑安全,但此方法存在局部最小問題(“死鎖”).為克服這一缺點,許多研究者通過將人工勢場法與其他算法結(jié)合來改善這個問題.

王維[50]針對機器人路徑規(guī)劃中的勢場法的的局部最小問題,提出了結(jié)合行為策略的人工勢場法和勢場法結(jié)合的綜合算法,這可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補,同時針對多機器人沖突問題,提出了基于勢函數(shù)的防碰撞方法.用以質(zhì)點模型的智能體對改進算法進行實驗驗證,對比傳統(tǒng)勢場法,驗證其有效性和實用性.

Hassan 等[51]提出基于能量逼近的人工勢場法.由簡化勢函數(shù)建立三維勢圖,使用虛擬障礙法處理局部極小值,生成地圖并實現(xiàn)全局離線路徑規(guī)劃.

王麗[52]在環(huán)境已知的情況下前提下,提出了基于遺傳算法的軌跡規(guī)劃方法,利用遺傳性算法精確檢測率了沖突距離,并做了改進.在環(huán)境未知的情況下,提出了人工勢場法與多種沖突解決方案.仿真結(jié)果表明此方法的有效性.

3.3 其他算法

李尤[53]根據(jù)移動多機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和面臨柔性的需求,提出了多機器人的軌跡規(guī)劃問題實際可以落腳在任務(wù)合理分配問題和防碰撞算法設(shè)計問題.在任務(wù)分配問題中,對比傳統(tǒng)單屬性指派規(guī)則,采用了多屬性指派規(guī)則,通過使用FCFS、M-FCFS、NAF、M-NAF、DWD、MDWD-R 算法進行實驗對比,得出MDWD-R算法的綜合性能最好,且在運行過程中穩(wěn)定性好,有較強的魯棒性.在防碰撞算法設(shè)計問題中,設(shè)計了基于資源申請和釋放的防撞算法,對不同情況下算法對應(yīng)的局限性提出了等待先行的優(yōu)化策略、針對地圖設(shè)計的優(yōu)化策略,針對死鎖的優(yōu)化策略.將優(yōu)化策略與基于資源申請和釋放的防撞算法結(jié)合,就有了改進后的防撞算法,并通過實驗驗證了其可靠性.

歐陽帆[54]為解決雙機器人防碰撞問題,先提出了一種基于八叉樹結(jié)構(gòu)的層級式碰撞檢測球體模型,用于檢測雙機器人的碰撞距離計算和碰撞狀態(tài)判斷問題.再提出了使用SAT-SDPD 算法更精確的計算兩機器人末端之間發(fā)生碰撞和分離的時間,最短分離距離等.最后提出了一種改進型速度排斥場模型,相較于常用的人工勢場法不需要力矩驅(qū)動,但此方法在避障軌跡規(guī)劃中容易出現(xiàn)穿透和陷入局部最小問題.

4 雙機器人協(xié)同控制系統(tǒng)模型

目前針對雙機器人位置/力協(xié)調(diào)控制的模式大致可以分為4 種,主從控制、位置/混合控制、阻抗控制、同步控制.下面對這4 種控制方式一一介紹.

4.1 主從控制

主從控制可以分為兩類,一類是leader-follower 主從控制,另一類是master-slaver 主從控制.如圖5所示.leader-follower 主從控制是采用純位置控制.而masterslaver 主從控制其控制思路是定義master 機器人為主機器人,slaver為從機器人,主從之間滿足一定的約束關(guān)系.Master 機器人采用基于位置的控制方式,slaver機器人采用力反饋的控制方式,從機器人通過六維力/力矩傳感器簡介獲知主機器人的運動趨勢實現(xiàn)對主機器人的跟隨運動.由于leader-follower 主從控制方法忽略了對機器人間力控制問題的研究,容易造成機器人損壞,或接觸工件破壞.因而常用master-slaver 主從控制對雙機器人進行協(xié)同控制,如文獻[55]采用masterslaver 主從協(xié)調(diào)策略來實現(xiàn)對物體的搬運,并提出力控制在協(xié)調(diào)過程中的重要性.但是這種控制方式需要從機器人具有較強柔性,能夠快速地做出響應(yīng),否則可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.

圖5 主從控制方式

4.2 位置/力混合控制

位置/力混合控制,其控制思想是雙機器人控制角色相同,沒有主從之分.在雙機器人位置/力混合控制中,將各機器人末端的運動進行分解,通過選擇矩陣來實現(xiàn)空間的劃分,在自由空間采用位置控制,可以實現(xiàn)對期望位置的跟蹤.在約束空間采用力控制,可以實現(xiàn)對期望力的跟蹤[56–58],對接觸力與期望值的偏差進行補償.如圖6為位置/力混合控制原理圖,在位置/力混合控制結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)是位置、力控制的雙輸入雙輸出,通過選擇矩陣S來決定控制方式,S為6×6的對角矩陣,矩陣元素只能為0 或1,I是6×6的單位矩陣,I–S則為力子空間選擇矩陣,輸入Xd為期望位置,Fd為期望力,輸出q為機械臂旋轉(zhuǎn)角度,h為實際接觸力.雖然該控制模式既有位置跟蹤又有力的控制,但該控制模也有其缺點.如文獻[56,57]采用位置/力混合控制,導(dǎo)致在自由空間向約束空間過渡不能保證系統(tǒng)的柔順性.另外該控制方式適用于力矩接口控制的機器人,而大部分商用的工業(yè)機器人并沒有提供力矩接口,因此使用該控制系統(tǒng)有很大的局限性.

圖6 位置/力混合控制結(jié)構(gòu)圖

4.3 阻抗控制

1985年,Hogan 提出了阻抗控制[59],它是由剛度控制和阻尼控制相結(jié)合的一種控制方法.在實際應(yīng)用中,導(dǎo)納特性與阻抗特性是不可分割的.導(dǎo)納控制是輸入力輸出位置,阻抗控制是輸入位置輸出力.其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7.其中,z表示阻抗大小,1/H表示導(dǎo)納大小,Xd為期望位置,X表示實際位置,?X表示期望位置與實際位置之間的位置誤差,Fext表示機器人末端與環(huán)境的接觸力.

圖7 阻抗控制和導(dǎo)納控制的關(guān)系圖

由于其簡單易實現(xiàn)的優(yōu)越性,許多學(xué)者對此進行了深入研究,擴展出了多種更優(yōu)化方法.按控制量的不同,阻抗控制可以分為基于力矩的阻抗控制方法和基于位置的阻抗控制方法.

基于力矩的阻抗控制方法,是建立關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的力/位置轉(zhuǎn)換關(guān)系:

根據(jù)式(4)的機器人動力學(xué)模型,采用如下的控制律:

其中,e表示關(guān)節(jié)位置誤差(e=q?qd),kp表示比例系數(shù),kv表示微分系數(shù),J(q)為雅克比矩陣.基于力矩的阻抗控制需要有一個完整且精確的動力學(xué)模型才能實現(xiàn),而環(huán)境參數(shù)大多未知,且難以精確獲得,因此在實際控制中很少使用此種方法.

基于位置的阻抗控制實際上是一種間接力控制方法,是以阻抗模型為基礎(chǔ),通過調(diào)整機器人位置誤差間接調(diào)整機器人末端力,實現(xiàn)力控制,其控制原理如圖8所示.

圖8 基于位置的阻抗控制結(jié)構(gòu)圖

由于基于力矩的阻抗控制方法依賴于精確的機器人動力學(xué)模型,相比而言,基于位置的阻抗控制方法的使用更廣泛,也更易于實現(xiàn).

4.4 同步控制

同步控制,是一種基于模型的控制方法,主要針對期望軌跡跟蹤.如文獻[60]在使用同步運動的模式的基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)的控制策略,對每個單機器人做軌跡跟蹤控制,使兩機器人在同一時刻的位置誤差為0.然而同步控制模式主要做機器人的軌跡跟蹤,對力控制問題有所忽視,因此此控制模式很少被應(yīng)用.

4.5 雙機器人協(xié)同控制方法

常用的雙機器人協(xié)同控制方法有PID 控制,模糊控制,遺傳算法,強化學(xué)習(xí)等.在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,與單機器人控制相比,雙機器人協(xié)同控制較為復(fù)雜,需要處理各機器人之間的約束關(guān)系和內(nèi)力分配等問題.而單一控制模式和控制方法很難實現(xiàn)對其控制.因此,雙機器人協(xié)同控制多是采用多種控制模式與多種控制方法的控制律相結(jié)合的方式完成作業(yè)任務(wù).

如Bonitz 等 [61]提出了面向被操作對象的協(xié)調(diào)策略,并對作用于物體的合力進行力分解.Caccavale 等[62]在文獻[49]基礎(chǔ)上提出了面向被操作對象的內(nèi)外阻抗控制策略.

歐陽帆[54]針對雙機器人搬運作業(yè)中的內(nèi)力控制問題,提出基于遺傳算法的阻尼比例微分控制方法.仿真結(jié)果顯示使用遺傳算法優(yōu)化PD 參數(shù)后的控制效果相比純剛度控制最優(yōu)的控制效果要更好一些.

周揚[63]提出面向物體的多空間阻抗控制策略,實現(xiàn)物體阻抗和機器人阻抗融合,為避免機器人對物體的作用力和物體對環(huán)境的作用力過大,提出自適應(yīng)阻抗控制方法.機器人自適應(yīng)地調(diào)整了物體的阻抗參數(shù),補償了環(huán)境不確定性,提高了控制精確度.賀軍[64]提出了變負載的雙臂協(xié)作機器人雙環(huán)自適應(yīng)阻抗控制方面的研究,設(shè)計了基于模型的非線性控制系統(tǒng).雖然上述研究考慮了雙臂對物體的內(nèi)力和外力控制,但是大多都采用定阻抗的控制策略,并沒有考慮存在外部干擾和內(nèi)力約束下的影響.

田獻軍[65]提出了基于模糊控制原理與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的軌跡跟蹤控制方法,模糊控制不依賴于精確地數(shù)學(xué)模型,能夠克服操作對象不確定性的影響,但模糊規(guī)則的建立和更改都比較有難度,而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力可以模擬模糊推理,并且在實際應(yīng)用中可以不斷進行修正.實驗結(jié)果也驗證了,雖然剛開始會有一定的超調(diào),但相應(yīng)速度很快,實際位置會迅速逼近期望位置.

丁楠[66]針對多機械臂抓取被操作物體,提出了一種基于滑模補償?shù)牧?位混合控制方式,后因滑膜控制常有的抖震問題,提出了基于模糊增益自適應(yīng)調(diào)整的滑模控制,使控制過程更加穩(wěn)定,達到了更好的控制效果.

潘建龍等[46]提出了在雙機器人搬運工件時采用主從控制模式,主機器人采用位置控制,從機器人采用基于自適應(yīng)阻抗控制的方法,實現(xiàn)從機器人末端位置誤差與力之間的關(guān)系的轉(zhuǎn)換,進行位置和力的控制.

段晉軍[45]提出了對稱式自適應(yīng)變阻抗的位置力控制算法,視雙機器人與被操作對象為一個閉鏈系統(tǒng),根據(jù)其約束關(guān)系,將機器人末端劉維力矩傳感器測得力,分解為外力和內(nèi)力.外力用來平衡被操作物體動力學(xué)以及環(huán)境施加在物體上的接觸力,即外力是用來進行軌跡跟蹤的.內(nèi)力不會產(chǎn)生任何的運動,用來表述機器人與物體之間的內(nèi)力,即內(nèi)力是用來進行力跟蹤,保證內(nèi)力不會對機器人與被操作物體造成損傷和破壞.在內(nèi)外力進行分配的同時,設(shè)定雙機器人在x、y軸使用位置控制,在z軸使用力控制,即對雙機器人使用混合力位控制的同時,使用力分解阻抗控制.通過實驗驗證,機器人在無干擾情況下可以按照期望軌跡運動,在有干擾時,會有一定誤差,干擾消失后,可以迅速調(diào)整回到期望軌跡,表明了其控制極大的柔順性.

蘇越[67]在雙機器人協(xié)同中,提出了主從式雙臂力位混合控制的控制方法,主機器人采用基于位置的阻抗控制,從機器人采用力位混合控制.最后搭建了實驗平臺,對雙機器人搬運和雙機器人擰瓶蓋分別進行了實驗,驗證結(jié)果表明該控制方法的有效性.

Perrusquia 等[68]提出了基于強化學(xué)習(xí)的阻抗控制方法,利用阻抗控制生成機器人搬運作業(yè)中的期望力,在使用強化學(xué)習(xí)得出最優(yōu)期望力,進行位置力控制.實驗結(jié)果表明Q(λ)算法的學(xué)習(xí)迭代次數(shù)更少,且位置力跟蹤效果最好.

除上述之外,還有一些智能控制策略[69,70]也被用到了協(xié)同控制中.這種控制方式依賴于動力學(xué)模型,由于存在動力學(xué)建模難、控制過程過于復(fù)雜、強耦合、非線性等難題,還未應(yīng)用在現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中.

5 研究展望

目前,雙機器人協(xié)同控制的研究才剛興起,在動力學(xué)分析和控制分析等方面還存在很多問題.通過以上雙機器人協(xié)同控制的研究綜述可以看出,目前的控制方法雖能實現(xiàn)一些簡單的作業(yè)需求,但仍存在精度不夠或協(xié)同性能差的問題.為使雙機器人協(xié)同能更好的實現(xiàn)更復(fù)雜任務(wù),本文認為以下問題值得更深入研究.

(1)被操作物體動力學(xué)特性統(tǒng)一化.被操作物體是整個系統(tǒng)很主要的一部分,數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)控制的基礎(chǔ),建立具有普遍性、合理性的被操作物體動力學(xué)模型至關(guān)重要.

(2)雙機器人與被操作物體之間的約束關(guān)系分析.與單機器人相比,雙機器人協(xié)同系統(tǒng)最大的難點在于各個之間的運動約束關(guān)系,然而這在目前的研究中都有所忽略,或太過簡化.這就導(dǎo)致現(xiàn)在的協(xié)同無法實現(xiàn)在時間上同步,在空間上約束.因此,雙機器人與被操作物體的約束關(guān)系將是以后的研究重點和研究基礎(chǔ).

(3)控制方法的性能評價.目前的控制方法多種多樣,許多研究者將各種方法結(jié)合對機器人進行控制,雖然通過仿真結(jié)果可看出均可實現(xiàn)軌跡跟蹤,但控制策略的正確性與合理性缺少評價標準.控制方法的性能評價,對控制策略提供了評價準則,為實際應(yīng)用提供了保障,具有重要意義.

(4)智能控制的應(yīng)用.智能控制是未來機器人控制的一個大趨勢.由于雙機器人作業(yè)環(huán)境的易變性和不可預(yù)見性,為實現(xiàn)機器人智能決策能力,應(yīng)從傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí),邁向深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí),通過多次學(xué)習(xí)尋求最優(yōu)行動.機器人在學(xué)習(xí)過程,對不好的行動及時報警提示,對優(yōu)化的行動保存并繼續(xù)執(zhí)行,實現(xiàn)機器人的自適應(yīng)性和安全保障.

隨著雙機器人協(xié)同技術(shù)的不斷發(fā)展,在未來一定會有更廣闊的市場應(yīng)用.