滕 冠 劉 恒

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006）

基于模糊控制的機械臂控制系統設計與實現

滕 冠 劉 恒

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545006）

文章針對傳統機械臂操作過程中存在的問題，設計一種解決機械手操作的控制系統，該系統能夠適應機械手操作過程中靈活多樣的軌跡路線和操作動作的應用需求。實現對機械手操作過程的精確控制，并能夠根據機械手操作過程中所處的位置以及操作運動軌跡，實時的調整機械手的運動路線。

模糊控制；機械臂；路徑規(guī)劃

1 前言

2 設計思想

目前在現代化的工業(yè)制造領域，對機械手有著非常強大的應用需求。同時隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，對機械手操控的靈活性也提出了更高的要求。傳統的機械手控制方法相對較為簡單，最為典型的是通過在機械手的控制端預先設定控制程序，讓機械手按照預先設定的運動模式進行操作控制。這種控制方式在裝配和運行過程中控制的精度不高，而且隨著機械手頻繁的動作，可能會逐漸產生操作誤差。由于這種控制方式在操作過程中，并沒有對操作誤差進行管理和控制，因此誤差將會不斷的被累計，最終使得機械手在操作過程中產生嚴重的偏差，甚至誤操作。雖然目前隨著計算機技術和自動化技術的不斷發(fā)展，在機械手控制應用中逐步引入了一些自動化的控制方式，但總體上對機械手的控制方法和實現技術都難以滿足目前對機械手靈活控制的應用需求。為了解決機械手的靈活控制問題，本文采用模擬仿真學的原理，在機械手上安裝視頻監(jiān)控設備，通過視頻監(jiān)控設備采集機械手運動過程中的實時圖像，對機械手的運動軌跡及運動位置進行精確的定位。將定位之后的結果由機械手控制裝置，計算出機械手的實際運動位置，并與機械手初始的運動軌跡規(guī)劃的結果進行對比，實現對機械手運動過程的精確控制。

模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965年由美國人L.A.Zadeh提出理論定義和基本架構，1974年，由英國人E.H.Mamdani通過模糊控制語句組成模糊控制器。模糊控制實質上是一種非線性控制，它既有系統化的理論，又有大量的實際應用背景，已經成為自動控制領域一個重要分支，PID控制器是目前應用于工業(yè)領域自動控制的非常重要的一個裝置。本文引入的PID控制器包含了三種不同的控制方式，分別是比例控制器、積分控制器和微分控制器。應用PID控制器對被控系統實施控制的參數進行測量，計算當前控制的誤差，在通過PID控制器內部三個不同的控制裝置實現對應用系統的靈活控制目的，在PID內部的控制器中通過比例控制單元可以實現輸出誤差和控制給定量之間的線性變化關系，而通過積分控制器則可以實現對過去累計一段時間內的誤差和給定量之間的控制關系的調節(jié)。利用微分控制器則可以預測出控制器未來可能的變化趨勢，提前通過調節(jié)給定量實現PID控制器對機械臂的精確控制。

3 系統組成

本文提出的機械臂設計方案是以視頻采集技術與模糊控制技術相結合的一種機械手控制方案。其對機械手控制過程中，首先通過視頻采集設備獲取機械手的精確位置，并將所獲取的機械手運動過程坐標信息與機械手預先計算的初始路徑規(guī)劃坐標信息匹配，得到機械手在運動過程中的運動誤差，由模糊控制器將運動誤差做為輸入信號，實現對機械手運動環(huán)節(jié)的微調。整個機械手的控制系統構成一個閉環(huán)系統，實現對運動過程持續(xù)不斷的精確調整。根據實踐需要，該系統內部包括視頻采集模塊、圖像處理模塊、機械手運動定位點匹配模塊、運動差異計算模塊、模糊控制器機械手運動驅動器、路徑規(guī)劃模塊和運動目標位置輸入模塊等部分組成（如圖1所示）。

圖1 機械手控制系統總體組成結構圖

從圖中可以看出，該系統是通過在機械手主要運動部件上安裝攝像頭，通過攝像頭實時采集機械手運動過程中的視頻圖像信息，通過對視頻圖像的分析和處理，實現對機械手運動位置的精確定位。計算機械手的運動軌跡以及運動過程中所處的位置，與預先設定的軌跡路線是否一致。將運動過程中產生的運動軌跡差值送入模糊控制器中，由模糊控制器根據預先設定的模糊控制規(guī)則，對機械手運動軌跡做出模糊控制輸出結果。并將控制結果送入機械手的運動驅動裝置，調整機械手的運動方式，并改變機械手的運動軌跡路徑，使得機械手的運動軌跡和運動所達到的目標位置與預期一致。利用這種基于視頻圖像的采集、分析和處理做為機械手的控制前提條件，設定模糊控制系統實現對機械手的運動過程的精確控制。

模糊控制器是系統的一個核心功能模塊。其目的是實現對機械手運動過程中產生的誤差進行處理，根據運動過程的差值輸出機械手運動控制修正信號，將模糊控制器的模糊控制表如表1、表2所示。使用模糊控制器作為控制系統的核心部件，既能夠實現對機械手運動過程的精確控制，同時又利用模糊控制器自有的模糊特性，能夠很好的適應不同應用場景，不同結構特點的機械手在運動過程中的控制要求。

表1 運動速度模糊控制表

表2 運動角度模糊控制表

4 系統實現

在機械手運動過程中，首先接受外部輸入的機械手運動目標位置，并由控制系統中的路徑規(guī)劃模塊，計算出機械手預期的運動軌跡和運動過程。在計算機械手的初始運動軌跡規(guī)劃時，還需要判定機械手是否處于初始的位置。如果是處于初始的位置，則直接從初始位置計算到目標位置的運動軌跡。如果機械手不是處于初始的位置，則通過視頻采集設備獲取機械手當前所處的位置坐標，計算出機械手在當前的初始位置，并計算出從當前位置的目標位置的路徑規(guī)劃。

其次，機械手根據計算得到的路徑規(guī)劃結果，對機械手的模糊控制器發(fā)出控制指令，并通過模糊控制器將控制命令及驅動信號發(fā)送至機械手的運動控制裝置，實現對機械手的運動驅動過程。最后，在機械手運行過程中，由視頻采集裝置實時的采集機械手的運動狀況，獲取機械手在不同時刻所處的位置，并將其所采集到的圖像經過圖像處理，提取圖像中的定位信號，將機械手的定位信號與路徑規(guī)劃的參考位置進行匹配，計算出運動過程中的運動差值。由機械手運動過程中的中間差值輸入至模糊控制器，讓模糊控制器根據機械手在不同時刻的運動狀態(tài)，和運動過程中所產生的運動差值，產生相應的機械手運動控制信號，驅動機械手逐步實現精確的運動控制目的。

為了能夠全面理解機械手典型的運動過程控制方法，下面對其具體流程進行詳細描述（如圖2所示）：

第一步：用戶確定機械手需要運動的目標位置，并將機械手的運動目標位置輸入至機械手控制系統。機械手控制系統判斷當前機械手所處的位置，如果當前機械手所處的位置為初始，則在進行路徑規(guī)劃時，機械手的起點位置為系統的初始位置。如果機械手的位置不是為初始位置，則通過視頻采集設備獲取機械手當前所處的位置，并得到機械手各運動節(jié)點的三維坐標值。

第二步：機械手控制系統運動內部集成的路徑規(guī)劃模塊，對計算從起始位置坐標到運動目標位置坐標之間的路徑，給出機械手在運動過程中各運動關節(jié)的全時段控制信號，以及各個運動關節(jié)在達到目標位置時，其各個關節(jié)節(jié)點的預期終至狀態(tài)值，如各個關節(jié)的運動角度等信息。

第三步：機械手運動控制系統從路徑規(guī)劃的結果，提取機械手各個關節(jié)節(jié)點在不同時刻的運動控制信號，輸入至機械手模糊控制器，并通過模糊控制器獲取機械手的運動驅動信息，驅動機械手開始運動。

第四步：啟動機械手上面自帶的視頻采集設備，并通過圖像處理獲取機械手各主要關節(jié)節(jié)點的位置及坐標信息。

第五步：獲取圖像中的定位點的坐標值，并由機械手的控制系統計算當前的機械手運動坐標值與路徑規(guī)劃中的運動坐標值之間的差值。將機械手運動過程中的定位坐標值的差值輸入至模糊控制器，由模糊控制器產生控制信號，驅動機械手各關節(jié)節(jié)點，進行運動控制信號的調整。

第六步：機械手運動控制信號驅動機械手繼續(xù)運動，并在運動過程中由視頻采集設備不斷的對機械手的運動過程進行監(jiān)控，并將監(jiān)控的結果產生機械手運動過程的運動控制調整信號。當機械手運動達到預定的目標位置時，由視頻采集設備獲取機械手各主要關節(jié)點的定位坐標值，并將該坐標值與路徑規(guī)劃中的坐標值進行匹配。如果二者之間的差值小于預先設定的范圍，則向機械手運動控制裝置發(fā)出運動終至的信號，機械手停止運動，完成機械手運動過程的控制任務。

5 總結

本文設計的機械手控制系統在進行控制過程中，通過視頻攝像頭實時的采集機械手的運動位置和運動軌跡，能夠實現對機械手運動過程精確的監(jiān)測，為機械手后續(xù)的控制任務提供了準確的信息。系統具有很好的實時性，從視頻圖像的采集到機械手運動過程控制是一個閉環(huán)系統，能夠在機械手運動過程中，實時的進行采集與控制，能夠具備較高的控制精度，也能夠及時的發(fā)現機械手在運動過程中產生的各種較大的運動誤差，并及時做出調整，做到機械手運動的全過程，都與預期規(guī)劃的路徑相一致。利用視頻采集設備與模糊控制器的相互配合，以一種仿真的設計思路模擬了機械手的真實運動控制過程，而且通過對視頻采集設備和模糊控制器的性能提升，大大提高了機械手運動控制靈活性和精度。

圖2 機械手典型運動過程控制流程

[1] 陳益飛.RBF神經網絡的PID控制研究與仿真[J].計算機仿真,2011,(4):212-215.

[2] 劉恒.數控曲面切割路徑生成算法研究[J].制造業(yè)自動化, 2010,(12):65-67.

[3] 劉恒. 一種機械手精確控制系統及其方法: 中國, CN103744355A[P].2014-04-23.

[4] 張義,左為恒,林濤.BP神經網絡PID控制在空調系統中的應用[J].計算機仿真,2011,(4):149-151.

Design and implementation of manipulator control system based on fuzzy control

The traditional process of manipulator operation problems to design a control system to solve the robot operation, the system is able to adapt to the needs of the application of mechanical processes-handed operation and flexible operation of the trajectory line operation. Accurate control of the hand operated mechanical process, and the process can be according to the mechanical operation of the hand as well as the location of the operating trajectory, real-time adjustment of the robot motion path.

Fuzzy control; manipulator; path planning

TP241

A

1008-1151(2015)01-0085-03

2014-12-12

2013年廣西教育廳科研項目“基于嵌入式的機械臂控制系統設計”（2013YB353）。

滕冠（1973－），男，廣西陸川人，柳州職業(yè)技術學院講師，從事機電一體化方向研究；劉恒 （1975－），男，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術學院副教授，從事機電一體化方向研究。