工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法

摘 要：抓取機(jī)構(gòu)控制根據(jù)單向受力特性調(diào)整抓取點(diǎn)，易受零位選擇范圍變化的影響，導(dǎo)致預(yù)設(shè)軌跡與控制軌跡擬合度偏低，因此，本文設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法。基于抓取域的生產(chǎn)平衡關(guān)系，構(gòu)建機(jī)器人抓取空間運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)力模型，搭建抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制末端結(jié)構(gòu)，并使用封閉葉片驅(qū)動(dòng)力調(diào)整抓取路徑。進(jìn)而設(shè)計(jì)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法，解決控制絕對(duì)轉(zhuǎn)角和提高控制動(dòng)能穩(wěn)定性的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法的控制軌跡與預(yù)設(shè)軌跡擬合度較高，控制效果較好。

關(guān)鍵詞：智能制造；機(jī)器人；抓取；空間軌跡；運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP 242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分，可以利用先進(jìn)的智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效生產(chǎn)。在實(shí)際工作過程中，如果工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境發(fā)生變化，其工作軌跡可能會(huì)產(chǎn)生偏差[1]，進(jìn)而影響生產(chǎn)可靠性，因此需要設(shè)計(jì)一種有效的工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法。抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制需要考慮多個(gè)因素，包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、抓取對(duì)象的形狀/尺寸和抓取過程中的力學(xué)狀態(tài)等[2]。合理的軌跡規(guī)劃可以確保機(jī)器人在抓取過程中能夠準(zhǔn)確定位，穩(wěn)定地抓取目標(biāo)物體，避免與目標(biāo)物體或周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制通常包括多個(gè)步驟。第一，需要確定機(jī)器人需要執(zhí)行的抓取任務(wù)[3]，包括目標(biāo)物體的位置、姿態(tài)、尺寸和質(zhì)量等信息。第二，需要根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。第三，需要使用運(yùn)動(dòng)控制算法[4]（包括各種控制算法、路徑規(guī)劃算法和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法等）控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，以精確抓取目標(biāo)物體。為了進(jìn)一步提高控制效果，本文設(shè)計(jì)了一種全新的工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法。

1 工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建機(jī)器人抓取空間運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)力模型

工業(yè)機(jī)器人具有一個(gè)末端抓取機(jī)構(gòu)空間，在抓取的過程中，該空間內(nèi)會(huì)生成一個(gè)有效的抓取域，從而實(shí)現(xiàn)高精度控制，因此，本文根據(jù)抓取域的生產(chǎn)平衡關(guān)系構(gòu)建了控制動(dòng)力模型，可以根據(jù)接觸形變狀態(tài)生成抓取幾何關(guān)系描述式，如公式（1）所示。

（1）

式中：ε代表機(jī)器人抓取形變量；n代表抓取法向量；t代表抓取時(shí)間；Tdga代表抓取區(qū)域半徑；aet代表抓取末端加速度[5]；?vn代表機(jī)器人末端目標(biāo)對(duì)應(yīng)位置。

此時(shí)如果形變量＜0，表示抓取過程中存在碰撞，需要調(diào)整抓取碰撞力Fc，如公式（2）所示。

Fc=LCεn+Ceεn-Lf （?vn） （2）

式中：LC代表抓取碰撞剛度系數(shù)；Ce代表抓取碰撞阻尼；Lf 代表抓取摩擦力。

基于此，可以構(gòu)建全局坐標(biāo)系，計(jì)算不同的位移矢量[6]，預(yù)設(shè)的控制動(dòng)力點(diǎn)tw如公式（3）所示。

tw=t0+Tα （3）

式中：t0代表柔性控制參量；T代表控制變化矩陣；α代表形變矢量。

根據(jù)預(yù)設(shè)的控制動(dòng)力點(diǎn)可以求解任意控制速度矢量值，從而構(gòu)建高精度空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)力模型Yf-T，如公式（4）所示。

（4）

式中：wT代表機(jī)器人連桿動(dòng)能；Qf-T代表控制質(zhì)量矩陣。

應(yīng)用上述空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)力模型可以計(jì)算出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)/平動(dòng)動(dòng)能，降低抓取振蕩對(duì)抓取點(diǎn)位造成的影響，提高空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。

1.2 搭建抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制末端結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人的抓取半徑會(huì)隨抓取點(diǎn)變化而變化，因此，為了滿足空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制的靈活性要求，本文搭建了抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制末端結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)必須具有良好的驅(qū)動(dòng)力，可以利用封閉葉片調(diào)整智能機(jī)器人的抓取路徑，為整個(gè)控制末端提供驅(qū)動(dòng)力。該控制末端結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

由圖1可知，該控制末端結(jié)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)筒為核心組件，性能優(yōu)異，可降低控制能量損耗。在機(jī)器人抓取過程中，該結(jié)構(gòu)能夠快速、準(zhǔn)確地確定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的支撐點(diǎn)，并通過調(diào)整抓取釋放模式和驅(qū)動(dòng)桿來完成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡。具體來說，在機(jī)器人抓取任務(wù)中，該控制結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行快速抓取和有效釋放目標(biāo)物體操作。通過控制驅(qū)動(dòng)筒和驅(qū)動(dòng)桿的協(xié)同工作，機(jī)器人可以較好地適應(yīng)不同形狀、尺寸的物體，并根據(jù)需要進(jìn)行準(zhǔn)確定位和加工操作。執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)，通過提高控制軌跡與預(yù)設(shè)軌跡的擬合性，機(jī)器人能夠更準(zhǔn)確地跟蹤和控制目標(biāo)物體的位置、方向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

此外，該控制末端結(jié)構(gòu)還具有較低的控制損耗。將驅(qū)動(dòng)筒作為控制主體部件，顯著提高了控制能量的傳輸效率，減少了能量消耗和損失，使機(jī)器人能夠在長(zhǎng)時(shí)間工作過程中保持高效穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

綜上所述，以驅(qū)動(dòng)筒為核心，通過快速獲取旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)支撐點(diǎn)、調(diào)整抓取釋放模式和驅(qū)動(dòng)桿的協(xié)同工作，可提高機(jī)器人操作的靈活性和精度，并增強(qiáng)控制軌跡與預(yù)設(shè)軌跡的吻合度。

1.3 設(shè)計(jì)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法

為了解決機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制過程中產(chǎn)生的控制絕對(duì)轉(zhuǎn)角，提高控制動(dòng)能的穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法，在虛功原理的基礎(chǔ)上構(gòu)建了控制剛度矩陣，其中控制彈性勢(shì)能E如公式（5）所示。

E=-∫ξεdV （5）

式中：V代表控制位移變化速度;ζ代表剛度系數(shù)。

控制剛度矩陣lf如公式（6）所示。

lf =∫（FM）RFMdV （6）

式中：FM代表彈性廣義力；R代表預(yù)設(shè)的抓取軌跡半徑。

根據(jù)上述剛度矩陣，可以構(gòu)建軌跡運(yùn)動(dòng)控制過程中形成的動(dòng)力學(xué)方程，如公式（7）所示。

QF+LF=WF-HF （7）

式中：QF代表廣義外力；LF代表速度二次項(xiàng)；WF代表坐標(biāo)變換參量；HF代表柔性控制力。

此時(shí)生成的空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法K如公式（8）所示。

K=lf·QF+lgy （8）

式中：lg代表對(duì)角權(quán)系數(shù)；y代表輸出反饋增益。

使用上述控制算法可以實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的抓取運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在滿足控制求解關(guān)系的情況下降低控制難度，在最大程度上提高工業(yè)機(jī)器人抓取空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制的可靠性。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述工業(yè)機(jī)器人抓取空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法的控制效果，本文將其與文獻(xiàn)[5]（考慮柔性空間線性仿真的工業(yè)機(jī)器人抓取空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法）、文獻(xiàn)[6]（基于Udwadia-Kalaba方程的工業(yè)機(jī)器人抓取空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法）2種常規(guī)控制方法進(jìn)行比較。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合機(jī)器人抓取空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)要求，本文將Modified平臺(tái)作為試驗(yàn)平臺(tái)，選取Mathematica、MATLAB作為輔助試驗(yàn)工具，將AUBO多自由度制造機(jī)器人作為試驗(yàn)對(duì)象。該機(jī)器人的臂長(zhǎng)為924.5mm，重復(fù)定位精度較高，滿足精密智能制造的靈活部署要求。在試驗(yàn)過程中，如果發(fā)生碰撞，該機(jī)器人就會(huì)立即觸發(fā)制動(dòng)，以保障試驗(yàn)安全。該機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，AUBO試驗(yàn)機(jī)器人可以通過ORPE進(jìn)行三維展示，預(yù)設(shè)不同的抓取空間軌跡，在不改變末端姿態(tài)的基礎(chǔ)上調(diào)整抓取角度，提高試驗(yàn)精度。本文使用深度學(xué)習(xí)輔助C#語言編寫試驗(yàn)上位機(jī)軟件，生成運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)程序。試驗(yàn)整體架構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，上述試驗(yàn)整體架構(gòu)性能良好，能有效連接工控硬件設(shè)備與上位機(jī)軟件，利用串行總線完成通信，并提供有效的抓取軌跡姿態(tài)信息，從而輸出準(zhǔn)確的軌跡運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，可以進(jìn)行抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)，即預(yù)設(shè)不同的末端抓取時(shí)間，調(diào)整空間軌跡運(yùn)動(dòng)加速度。此時(shí)分別使用本文、文獻(xiàn)[5]以及文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制，比較3種方法預(yù)設(shè)軌跡與控制軌跡的擬合狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，在不同的末端抓取時(shí)間和空間軌跡運(yùn)動(dòng)加速度下，本文方法的控制空間軌跡坐標(biāo)與預(yù)設(shè)空間軌跡坐標(biāo)擬合，文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]方法的控制空間軌跡坐標(biāo)與預(yù)設(shè)空間軌跡坐標(biāo)存在一定偏差。試驗(yàn)結(jié)果證明，本文方法的控制效果和可靠性較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的作用也越來越突出，它們可以與人類緊密合作，共同推動(dòng)制造業(yè)向更高水平發(fā)展。在智能制造中，許多生產(chǎn)任務(wù)對(duì)機(jī)器人的精確度和準(zhǔn)確性要求較高且需要?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)環(huán)境變化，如裝配、焊接和切割等。為了解決上述問題，需要對(duì)機(jī)器人的抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡進(jìn)行精確控制。常規(guī)的空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法主要根據(jù)單向受力特性調(diào)整抓取點(diǎn)，控制效果較差，因此本文設(shè)計(jì)了一種全新的工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)空間軌跡運(yùn)動(dòng)控制方法的控制效果較好，具有可靠性和一定的應(yīng)用價(jià)值，為提高智能制造安全性做出了一定貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉昕宇，周宇生.多個(gè)輪式移動(dòng)機(jī)器人沿同一軌跡曲線運(yùn)動(dòng)的編隊(duì)控制研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，37（11）：237-246.

[2]路玲玲，張慧.柔性空間多末端機(jī)器人抓取振動(dòng)線性控制仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2023，40（3）：426-430.

[3]張新榮，CHEN YEHWA，平昭琪.基于Udwadia和Kalaba方程的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，34（1）：115-119.

[4]劉靜，楊雪，陳偉，等.無纜自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)整定方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2023，40（3）：421-425

[5]郭萬金，趙伍端，于蘇揚(yáng)，等.無先驗(yàn)?zāi)Ｐ颓娴臋C(jī)器人打磨主動(dòng)自適應(yīng)在線軌跡預(yù)測(cè)方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2023，57（8）：1655-1666.

[6]王書亭，付清晨，蔣立泉，等.考慮繞障時(shí)耗的四輪全向移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，51（6）：1-9.

作者簡(jiǎn)介：趙瑩瑩（1983-），遼寧沈陽人，本科，講師，研究方向?yàn)橹新毥逃虒W(xué)、智能制造。

電子郵箱：zyy17516@163.com。