基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于旭蕾，李相澤

(1.沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，沈陽 113122; 2.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110169)

0 引言

目前智能科技的快速發(fā)展，機(jī)器人逐漸被應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，傳統(tǒng)的服務(wù)式機(jī)器人以電機(jī)為核心設(shè)備，可進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，但靈活性較差[1-2]。由于氣動(dòng)技術(shù)具有剛性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械臂的生產(chǎn)和研發(fā)中，并替代人工操作，進(jìn)行高質(zhì)量的服務(wù)工作，極大地節(jié)約了人力資源，提升了工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量[3]。但目前設(shè)計(jì)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、響應(yīng)速度慢，不能發(fā)出準(zhǔn)確的控制指令，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用過程中易出現(xiàn)操作誤差，不利于機(jī)器人的可持續(xù)應(yīng)用和發(fā)展。

為此，相關(guān)領(lǐng)域研究人員對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂展開了深入研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)，通過構(gòu)建機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)機(jī)械臂的非線性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入分析，利用反步法設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)，并結(jié)合機(jī)械柔順控制方法，有效控制機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，整體控制效果良好，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，常出現(xiàn)控制誤差。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)，充分利用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)用性、高穩(wěn)定性以及較高的抗電磁干擾能力，采用力矩傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而生成準(zhǔn)確的控制指令，整體穩(wěn)定性較高，但控制指令的執(zhí)行力較差，整體控制效果較為不理想。

針對(duì)上述問題，氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于機(jī)械臂無法應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化，導(dǎo)致機(jī)械臂控制穩(wěn)定性和效果較差。為此，本文設(shè)計(jì)了基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)。采用JAVA技術(shù)平臺(tái)，在RTW環(huán)境下搭建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，預(yù)設(shè)JAVA開發(fā)環(huán)境，完成了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。通過測(cè)試驗(yàn)證了JAVA技術(shù)平臺(tái)為氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行提供了可擴(kuò)展性平臺(tái)，能夠更好地適應(yīng)外界環(huán)境變化，對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂進(jìn)行交互響應(yīng)和實(shí)時(shí)行為，從而有效實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制，精確控制氣動(dòng)輕量機(jī)械臂姿態(tài)，以此來確保氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制穩(wěn)定性和效果。

1 基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)模型

針對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)型機(jī)械臂，首先設(shè)計(jì)全關(guān)機(jī)控制系統(tǒng)，在滿足JAVA技術(shù)平臺(tái)運(yùn)行的情況下，建立機(jī)械臂直流電機(jī)模型，每一個(gè)直流電機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)，是控制系統(tǒng)的核心控制對(duì)象。結(jié)合直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和組成結(jié)構(gòu)，采用電阻電感型串聯(lián)電路作為直流電動(dòng)機(jī)的中樞電路，忽略電磁的時(shí)間干擾[6-7]。電機(jī)模型中的直流電機(jī)等效電路如圖1所示。

圖1 直流電機(jī)等效電路

觀察圖1可知，直流電機(jī)內(nèi)部有3個(gè)電阻，分別控制電壓、電流的方向，直流電機(jī)能夠直接控制系統(tǒng)，通過電樞構(gòu)造和反電勢(shì)原理實(shí)現(xiàn)控制，內(nèi)部的電阻和電機(jī)通過串聯(lián)形成電路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[8-9]。

電機(jī)時(shí)間常數(shù)的取值影響到了機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈敏度，為保證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制，針對(duì)時(shí)間常數(shù)需結(jié)合多組階躍信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量，以保證電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)[10]。

1.2 關(guān)節(jié)雙閉環(huán)控制器

在考慮噪聲干擾以及帶寬大小的影響下，為提升系統(tǒng)的抗噪聲干擾能力和噪聲消除能力，本文選擇關(guān)節(jié)雙閉環(huán)控制器對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制[11]。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

根據(jù)圖2可知，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)采用上下兩個(gè)閉環(huán)，通過位置控制器實(shí)現(xiàn)位置反饋和速度反饋。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理為：首先，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速由內(nèi)環(huán)即速度環(huán)進(jìn)行控制，在功能上，內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)速傳感器的采集數(shù)據(jù)，為提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，內(nèi)環(huán)帶寬相對(duì)外環(huán)較大，能夠有效抵御噪聲干擾。關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角由外環(huán)即位置環(huán)進(jìn)行控制，在功能上，外環(huán)負(fù)責(zé)接收位置傳感器的采集數(shù)據(jù)，位置傳感器的型號(hào)為MEAS MS32、大小為TDFN：2.5×2.5×0.8、精度為0.1 kA/m(典型值)、量程為：1～3 kA/m磁場(chǎng)開關(guān)，為有效消除和抑制噪聲，外環(huán)的帶寬相對(duì)較小[12-13]?；趦?nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)特性和功能，關(guān)節(jié)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)建以JAVA技術(shù)為基礎(chǔ)在RTW環(huán)境下進(jìn)行搭建，傳感器的采集數(shù)據(jù)以及控制器內(nèi)部的控制指令的發(fā)送通過PCI1711數(shù)據(jù)傳輸器完成。通過信息傳遞實(shí)現(xiàn)較好的控制，積分器在控制過程中發(fā)揮著核心作用，能夠分析整體性能，處理積分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)研究。

1.2.1 速度環(huán)設(shè)計(jì)

速度環(huán)作為關(guān)節(jié)雙閉環(huán)控制器的內(nèi)環(huán)，其工作狀態(tài)受機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)摩擦力以及電機(jī)齒輪縫隙等多種因素的影響，大部分影響因素為非線性因素，其變化規(guī)律難以掌握，且大多數(shù)干擾存在于低頻關(guān)節(jié)系統(tǒng)中，為維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，速度環(huán)利用微分控制，雖然微分控制法的控制效果好，但若設(shè)計(jì)不合理可能導(dǎo)致系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)不受控制，造成系統(tǒng)響應(yīng)延遲等情況的發(fā)生，故在設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)時(shí)，需結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)試比例參數(shù)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到預(yù)期狀態(tài)[14]。初始化系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，輸出速度環(huán)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 速度環(huán)階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)圖3的響應(yīng)曲線可知，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為3.0 s時(shí)，電壓開始大幅度上升，在上升到1.0 V之后，雖然有所波動(dòng)，但是基本能夠保持穩(wěn)定。

1.2.2 位置環(huán)設(shè)計(jì)

位置環(huán)不僅是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的外環(huán)，同時(shí)也是系統(tǒng)的主回路。在外環(huán)中，由于內(nèi)環(huán)速度傳感器的數(shù)據(jù)獲取和微分控制，導(dǎo)致系統(tǒng)主回路也受微分控制的影響，在內(nèi)環(huán)中，可以消除局部靜差，而在外環(huán)中，由于帶寬較低，局部靜差難以消除，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低[15]。為此，本文通過比例控制法降低微分控制對(duì)系統(tǒng)主回路的影響，即在控制器的基礎(chǔ)上，在外環(huán)上串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)比例的校正環(huán)節(jié)，以抵消系統(tǒng)主回路中的局部靜差，經(jīng)過多次測(cè)試，總結(jié)出最適合系統(tǒng)運(yùn)行的帶寬比例，即本著外環(huán)帶寬是內(nèi)環(huán)帶寬五分之一的比例原則，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器會(huì)將傳感器的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可接收的模式，方便微處理器后期讀取，計(jì)算測(cè)量值和真實(shí)值之間的關(guān)系，利用RS-485通訊接口完成信息通訊。在GPTRS網(wǎng)絡(luò)上輸入得到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到中控室，由中控室完成信息的整體控制。

由于微處理器能夠發(fā)送信息，完成信息的控制，所以利用RS-485通訊接口連接GPRS DTU，為降低控制系統(tǒng)的工作成本，提高系統(tǒng)的使用能力，因此在單片機(jī)內(nèi)部加入了MAX785芯片。單片機(jī)的工作電壓為3.3～5 V，確保電壓的穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)。采集器的工作溫度在-40～+60 ℃之間，在正常模式下，會(huì)出現(xiàn)功耗，一般能夠控制在7mA以內(nèi)，如果系統(tǒng)內(nèi)部采集器處于掉電模式，則功耗小于0.1 μA。掉電模式可以有效降低系統(tǒng)的功耗，適用于不同的低功耗場(chǎng)合，完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集。

采集器內(nèi)部的單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換器，位于不同的PI口上，可以通過采集數(shù)據(jù)改變轉(zhuǎn)換速度，確保控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的精度。單片機(jī)12位A/D采樣的精度為±0.19%，能夠有效滿足系統(tǒng)要求。

MAX785芯片具有RS-485的通訊功能，采用的通訊方式為半雙工通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，提高傳輸速率，并提供有效的電源電壓。相比于其他的通訊芯片，MAX785芯片的價(jià)格更低。

采集器采集的信號(hào)包括開關(guān)量和模擬信號(hào)，所得到的開關(guān)量在輸入系統(tǒng)內(nèi)部之前，需要經(jīng)過去抖動(dòng)操作，這樣系統(tǒng)才能在中斷外界連接的方式快速讀取數(shù)據(jù)。由于采集器內(nèi)部的單片機(jī)不具備直接讀取電流的能力，因此需要經(jīng)過精密采樣才能完成電流與電壓的高精度轉(zhuǎn)換，在不同的端口中輸入信息，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換和讀取。系統(tǒng)采集器擁有4個(gè)通道，每一個(gè)通道都與單片機(jī)相連，能夠快速實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換。

1.4 數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全維度狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，為保證數(shù)據(jù)處理精度，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理，主要的硬件結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)處理器、微控制器和串行通信模塊三部分，對(duì)應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)和功能如下。

數(shù)據(jù)處理器。數(shù)據(jù)處理器包含多路電流傳感器、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)寄存器以及預(yù)處理電路等。其內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)采用集成電路設(shè)計(jì)法，即在微控制器的控制下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換功能。其中，電流傳感器承擔(dān)主要的數(shù)據(jù)處理工作，處理信息包含數(shù)據(jù)的運(yùn)行電流、電壓、頻率、幅值等多種信息。寄存器能夠存儲(chǔ)短時(shí)間內(nèi)的處理數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)的預(yù)處理在寄存器中實(shí)現(xiàn)，處理目的在于將處理數(shù)據(jù)調(diào)配到試樣A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)需求。

為滿足高強(qiáng)度的控制需求，微控制器采用STCl2C5-A60S2單片機(jī)為控制核心，集成8051控制內(nèi)核、定時(shí)器、FLASH等控制核心，保證微控制的控制效果，同時(shí)采用8通道和兩個(gè)I/0接口進(jìn)行指令傳輸，指令傳輸有序，能對(duì)微控制器自身和數(shù)據(jù)處理模塊中所有元件進(jìn)行控制，且內(nèi)設(shè)看門狗的在線編程模塊，支持功能擴(kuò)展，進(jìn)一步提升微控制器的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和靈活性。

串行通信模塊。通信是數(shù)據(jù)處理模塊與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)，為配合STCl2C5A60S2單片機(jī)的應(yīng)用需求，采用RS232串行通信進(jìn)行通信連接，保證數(shù)據(jù)處理器內(nèi)部和外部通信的質(zhì)量。RS232串行通信的優(yōu)勢(shì)在于邏輯轉(zhuǎn)換靈活，針對(duì)不同的設(shè)備運(yùn)行電壓，邏輯轉(zhuǎn)換信號(hào)低于兩個(gè)2個(gè)幅度，最大限度地保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。

2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)參數(shù)

采用機(jī)械臂D-H參數(shù)法，得到氣動(dòng)輕量機(jī)械臂的D-H參數(shù)如表1所示。

表1 氣動(dòng)輕量機(jī)械臂的D-H參數(shù)

在表1中，關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3是公知的，并且能夠采用直尺來測(cè)量。其中，角度的大小不會(huì)對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置產(chǎn)生任何影響，僅用于對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抓取姿勢(shì)進(jìn)行控制，而θ1、θ1和θ3會(huì)對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂坐標(biāo)位置產(chǎn)生影響。

3 基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

JAVA是一門功能強(qiáng)大、應(yīng)用簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、具有可移植性的編程語言。JAVA技術(shù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行，在應(yīng)用JAVA編程語言進(jìn)行程序開發(fā)和運(yùn)行時(shí)，往往需要預(yù)設(shè)JDK(JAVA開發(fā)環(huán)境)和JRE(JAVA運(yùn)行環(huán)境)，而JAVA技術(shù)平臺(tái)能夠?yàn)闅鈩?dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行提供了可擴(kuò)展性平臺(tái)，可有效地適應(yīng)外界環(huán)境變化，從而確保氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制穩(wěn)定性和效果。因此，在系統(tǒng)硬件的支持下，本文以JAVA技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用JAVA編程語言設(shè)計(jì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)軟件，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

3.1 補(bǔ)償控制

針對(duì)氣動(dòng)輕量機(jī)械臂的補(bǔ)償控制采用加速度前饋補(bǔ)償法和摩擦力前饋補(bǔ)償法?？紤]氣動(dòng)輕量機(jī)械臂在低速運(yùn)動(dòng)中受氣體的可壓縮性影響較大，其機(jī)械臂自身具有低阻尼特性，系統(tǒng)剛性較低，導(dǎo)致伺服控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性較差，因此提升系統(tǒng)的剛性對(duì)于提升系統(tǒng)的控制能力具有重要作用。

采用一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行等效描述，等效式如下：

(1)

公式(1)中，K為電機(jī)的比例系數(shù)；T為時(shí)間常數(shù)；n(s)為控制時(shí)間；U(s)為驅(qū)動(dòng)時(shí)間。

PID+加速度反饋和摩擦力前饋補(bǔ)償策略如圖4所示。

圖4 PID+加速度反饋和摩擦力前饋補(bǔ)償策略

3.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)械臂本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，針對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制的難度系數(shù)相對(duì)較高，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)要求控制機(jī)械臂上每一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以確保機(jī)械臂以正確的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)完成相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，每一個(gè)關(guān)節(jié)都可視為一個(gè)因變量，可運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析法分析關(guān)節(jié)角度與機(jī)械臂之間的關(guān)系作為運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣An的計(jì)算公式如下：

(2)

公式(2)中，L為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)長(zhǎng)度；θ為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角度。

機(jī)械臂的臂座與抓手之間的總變換矩陣Tn如下：

Tn=A1A2A3......Am

(3)

公式(3)中，A1、A2、A3、Am均表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)變換矩陣；m表示該機(jī)械臂擁有的關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)[18]。

根據(jù)變化矩陣確定機(jī)械臂之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制。

3.3 目標(biāo)特征提取與匹配

在機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)物體采取抓取等操作之前，首先識(shí)別目標(biāo)物體并進(jìn)行物體測(cè)量[19]。利用目標(biāo)識(shí)別成像原理[20-21]，抽取成像目標(biāo)特征，并與實(shí)時(shí)獲取的圖像進(jìn)行特征比對(duì)。為提升目標(biāo)識(shí)別的精度，結(jié)合JAVA編程技術(shù)、特征提取法以及特征匹配法編譯目標(biāo)識(shí)別程序。

由于機(jī)械臂圖像采集系統(tǒng)的采集圖像為積分圖像，為縮短圖像識(shí)別的時(shí)間，采用Hessian矩陣尋找圖像中像素最亮或最暗的點(diǎn)為特征點(diǎn)，并利用最大值計(jì)算法計(jì)算特征點(diǎn)的匹配值[22]。

Hessian矩陣H(σ)在特征點(diǎn)f(x,y)的定義式如下：

(4)

公式(4)中，σ為特征提取尺度；H(x,σ)為矩陣H(σ)在x處的卷積；H(y,σ)為矩陣H(σ)在y處的卷積[23]。

尋找到特征點(diǎn)后，提取特征信息，將特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的信息進(jìn)行匹配，匹配計(jì)算公式如下：

(5)

公式(5)中，G為匹配值，當(dāng)G值為0時(shí)，表示數(shù)據(jù)庫(kù)中無與特征點(diǎn)相匹配的數(shù)據(jù)，特征匹配失敗。當(dāng)G值為1時(shí)，表示特征匹配成功，數(shù)據(jù)庫(kù)輸出與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息[24-25]。確定匹配值后，完成氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)控制。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提方法設(shè)計(jì)的基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的有效性，采用所提方法設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用3種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)和大臂關(guān)節(jié)的運(yùn)行角度如圖5和圖6所示。

圖5 小臂關(guān)節(jié)機(jī)械臂正弦響應(yīng)曲線

根據(jù)圖5可知，機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)正弦響應(yīng)曲線在45 s共經(jīng)歷了3次波動(dòng)，存在3個(gè)波峰，波動(dòng)時(shí)間間隔15 s。在3次波動(dòng)中，機(jī)械角度的目標(biāo)角度與本文提出的伺服控制系統(tǒng)基本一致，維持在95°左右，波動(dòng)方式也能保持一致，而文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式和波動(dòng)峰值與實(shí)際機(jī)械角度有很大差距，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的波動(dòng)峰值為80°，而文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的波動(dòng)峰值為60°，與目標(biāo)值95°有極大的差距，難以滿足伺服控制的最終要求，不適合于實(shí)際應(yīng)用中。

圖6 大臂關(guān)節(jié)機(jī)械臂正弦響應(yīng)曲線

根據(jù)圖6可知，在45 s伺服控制時(shí)間內(nèi)，大臂關(guān)節(jié)機(jī)械臂正弦響應(yīng)曲線共有2次波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)間間隔為22.5 s。在波動(dòng)間隔上所提方法設(shè)計(jì)的基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都能夠與目標(biāo)控制方式保持一致，但是在機(jī)械角度上，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)顯示出極大的局限性。而所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)兩次波峰均維持在95°左右，與目標(biāo)控制方式完全吻合，波峰也保持一致。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的波峰為82°，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的波峰為60°，與目標(biāo)值相差較大，難以完成預(yù)計(jì)的工作方式。

綜上所述，使用所提方法設(shè)計(jì)的基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)控制后，機(jī)械臂的大臂和小臂的偏移角度與目標(biāo)角度基本能夠保持一致，以平穩(wěn)的狀態(tài)運(yùn)行，其控制穩(wěn)定性較好。而使用文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于反步法的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)后，機(jī)械臂雖然也能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，但是運(yùn)行的角度與目標(biāo)角度相差較大，難以達(dá)到要求。

對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行路線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別在外界環(huán)境無變化和存在變化兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在存在變化的外界環(huán)境中放置不同數(shù)量和位置的障礙物，從x，y，z三個(gè)方向比較運(yùn)行偏差，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 外界環(huán)境無變化情況下機(jī)械臂運(yùn)行偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 外界環(huán)境變化情況下機(jī)械臂運(yùn)行偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3可知，在外界環(huán)境無變化的情況下，所提方法設(shè)計(jì)的機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的控制能力優(yōu)于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和終止點(diǎn)與目標(biāo)定位完全相符，而傳統(tǒng)系統(tǒng)與規(guī)定的路線相差較大。

根據(jù)表4可知，當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)變化時(shí)，所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都難以與實(shí)際定位保持一致，但是所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相差較小，而文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相差過大。造成這種現(xiàn)象的原因是，所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用JAVA技術(shù)平臺(tái)，通過雙目測(cè)量視覺誤差，確定誤差位置，根據(jù)位置反饋提取特征，因此可以很好地保證運(yùn)行精度，確保機(jī)械臂控制效果。而文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在控制過程中不具備反饋能力，在運(yùn)行過程中容易由于視錯(cuò)覺造成誤差，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

5 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)的穩(wěn)定性差、控制效果不理想等問題，設(shè)計(jì)了基于JAVA技術(shù)平臺(tái)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)完善系統(tǒng)功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用性能，針對(duì)機(jī)械臂的非線性運(yùn)動(dòng)信號(hào)能夠及時(shí)反饋，且運(yùn)行穩(wěn)定性高、誤差小，適用于氣動(dòng)輕量機(jī)械臂的生產(chǎn)中。所提方法設(shè)計(jì)的氣動(dòng)輕量機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)在低電壓工作環(huán)境下的適應(yīng)性不強(qiáng)，可能出現(xiàn)指令生成緩慢等現(xiàn)象，其整體適應(yīng)性還需進(jìn)一步增強(qiáng)。