張?jiān)忿r(nóng)++張小鳳

摘 要： 為了使機(jī)械臂給工業(yè)企業(yè)帶來(lái)更多利益，以智能化、低成本、小質(zhì)量和高安全性能為目的，設(shè)計(jì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)。依據(jù)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為機(jī)械臂的肩膀、手肘和手腕處分別分配2DOF的自由度，給出機(jī)械臂D?H參數(shù)，并為各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)合適的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)的FPGA中寫(xiě)入控制算法，使用主控芯片對(duì)不同關(guān)節(jié)處FPGA的控制算法進(jìn)行融合，確定機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方案并下達(dá)控制指令，通過(guò)構(gòu)造2.5D環(huán)境地圖感知非結(jié)構(gòu)環(huán)境，完善控制指令。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 非結(jié)構(gòu)環(huán)境； 機(jī)械臂； 關(guān)節(jié)； 自動(dòng)控制； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0172?04

Design of mechanical arm′s each joint automatic control

system under unstructured environment

ZHANG Yuannong， ZHANG Xiaofeng

（Beijing Institute of Technology （Zhuhai）， Zhuhai 519088， China）

Abstract： In order to make the mechanical arm bring more benefits to industrial enterprises， a mechanical arm′s each joint automatic control system under unstructured environment was designed to realize the intelligent， low?cost， high?quality and high?safety purpose. According to the design criterion of system performance， the two degree of freedom （2DOF） is allocated for the shoulder， elbow and wrist of the mechanical arm respectively， the D?H parameters of the mechanical arm are given， and the appropriate motor is designed for each joint to realize the mechanical arm movements. The control algorithms are written in FPGA of the system. The master control chip is used to integrate the different joints′ control algorithms in FPGA to determine the movement scheme of mechanical arm and give the control instructions. The 2.5D environment map is constructed to perceive the unstructured environment， and perfect the control instructions. The experimental results show that the system has strong optimization ability of joint trajectory.

Keywords： unstructured environment； mechanical arm； joint； automatic control； system design

20世紀(jì)50年代，人口老齡化時(shí)代來(lái)臨，加劇了生產(chǎn)企業(yè)招工難、用工成本大的問(wèn)題，機(jī)器的利用率隨之提高。一些企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中使用機(jī)械臂代替人類雙手，其特點(diǎn)是加工精度高且速度快，適用于切割、零件安置等簡(jiǎn)單、任務(wù)量小、重復(fù)度高的生產(chǎn)活動(dòng)[1]。目前，機(jī)械臂的載重偏低，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，雖然也有在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)的案例，但往往受限于機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的靈活性不足，無(wú)法精準(zhǔn)完成生產(chǎn)任務(wù)。

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的地形復(fù)雜，包括平地、斜坡、臺(tái)階、溝壑等，要求機(jī)械臂各關(guān)節(jié)能夠?qū)ψ兓械牡匦芜M(jìn)行快速感應(yīng)，并立即選定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位移和角度，智能化是機(jī)械臂的控制重點(diǎn)，還要考慮到低成本、小質(zhì)量和高安全性能等因素，更加大了設(shè)計(jì)難度[2]。過(guò)去設(shè)計(jì)出的一些非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于 7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，都沒(méi)能同時(shí)兼顧以上幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力也需要進(jìn)一步提高。為了響應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)需求，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分衡量各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)分析非結(jié)構(gòu)環(huán)境特點(diǎn)提出環(huán)境感知方法，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)軌跡的優(yōu)化能力。

1 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過(guò)衡量智能化、低成本、小質(zhì)量和高安全性能的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種具有高度信息集成性能、高速感知和高速反應(yīng)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的質(zhì)量小，可輕松安置在工業(yè)加工設(shè)備上，并可進(jìn)行人與系統(tǒng)的有效溝通，表1為系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

[性能類型 標(biāo)準(zhǔn)值 質(zhì)量 小于5 kg 自由度 大于6DOF 整體長(zhǎng)度 小于0.65 m 整體最大速度 大于3.0 m/s 最大負(fù)載 3 kg 定位誤差絕對(duì)值 小于2 mm ]

一般6DOF的自由度便能夠完成機(jī)械臂在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的正常加工[5]，此時(shí)在機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制下的定位誤差絕對(duì)值也滿足表1制定的標(biāo)準(zhǔn)，圖1為系統(tǒng)自由度劃分區(qū)間示意圖。機(jī)械臂肩膀處、手肘處以及手腕處都分別被劃分了2DOF的自由度，肩膀負(fù)責(zé)進(jìn)行上手臂（包括肩膀和手肘兩個(gè)重要關(guān)節(jié)）的角度控制和直線升降控制，手肘負(fù)責(zé)進(jìn)行手肘回環(huán)控制以及手臂前端的角度控制，手腕負(fù)責(zé)進(jìn)行手腕的扇動(dòng)控制和直線升降控制[6]。以機(jī)械臂的肩膀?yàn)閳A心，以手臂長(zhǎng)為半徑作圓，得到非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的范圍。

圖1 系統(tǒng)自由度劃分區(qū)間示意圖

圖1中的表示各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，表2為機(jī)械臂在D?H矩陣中的參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，D?H矩陣是一種使用4×4的齊次變換矩陣來(lái)表示機(jī)械臂相鄰關(guān)節(jié)位置關(guān)系的矩陣[7]，從表2中可以準(zhǔn)確看出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制下的運(yùn)動(dòng)角范圍和極限運(yùn)動(dòng)距離。

非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)，控制算法的容納元件是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），此外，F(xiàn)PGA還負(fù)責(zé)進(jìn)行機(jī)械臂各關(guān)節(jié)傳感器中數(shù)據(jù)的采集、處理和系統(tǒng)電流控制[8]。機(jī)械臂的上手臂和手腕關(guān)節(jié)因運(yùn)動(dòng)形態(tài)有所不同，需要安裝不同的電流傳感器來(lái)感應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，因此安裝于上手臂和手腕關(guān)節(jié)的FPGA類型也不同，便于準(zhǔn)確分辨關(guān)節(jié)感應(yīng)信息。FPGA所用的控制線為PCI總線，PCI總線的另一端與主控芯片相連。主控芯片的作用是分析關(guān)節(jié)感應(yīng)信息，通過(guò)融合不同F(xiàn)PGA中的控制算法，確定出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方案并下達(dá)控制指令。

表2 機(jī)械臂D?H參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

[運(yùn)動(dòng)情況 運(yùn)動(dòng)角范圍 /（°） 極限運(yùn)動(dòng)距離 /m [-80，140] 0 [-140，20] 0 [-50，105] 0.3 [-95，125] 0 [-90，90] 0.35 [-65，65] 0 ]

為提供給各關(guān)節(jié)足夠大的輸出力矩，系統(tǒng)使用無(wú)刷電機(jī)以及諧波減速器共同輸出力矩。手腕處的負(fù)載雖小，但需要支撐機(jī)械臂的整體長(zhǎng)度，因而使用差動(dòng)機(jī)構(gòu)合成力矩。為縮減設(shè)計(jì)成本，系統(tǒng)只在肩膀和手肘處安置力傳感器。

1.2 主控芯片設(shè)計(jì)

在主控芯片中設(shè)計(jì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)能夠減少設(shè)計(jì)成本。FPGA的32位嵌入式處理器提供C語(yǔ)言編程，提高控制算法的兼容性與智能化。嵌入式處理器與標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)在可編程片上系統(tǒng)中進(jìn)行集成，構(gòu)造底層地址文件與主控芯片的連接程序[9]，連接線使用RS 644總線。主控芯片與外部功能設(shè)備的連接也使用RS 644總線，便于FPGA采集機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2為系統(tǒng)控制框圖，雖然主控芯片與FPGA已通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)了連接，但考慮到定位誤差限制，系統(tǒng)只利用PCI總線進(jìn)行控制算法的傳輸，對(duì)于數(shù)據(jù)精度要求高的各類傳感器信息仍需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地址結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成后再進(jìn)行主控芯片與FPGA的交互。按照功能結(jié)構(gòu)來(lái)分，圖2中左側(cè)為控制板，右側(cè)為驅(qū)動(dòng)板，為減輕系統(tǒng)質(zhì)量，控制板和功能板需要分開(kāi)設(shè)計(jì)。由于機(jī)械臂各關(guān)節(jié)傳感器與控制板的距離存在差異，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)依據(jù)實(shí)際需要選擇控制線以減輕系統(tǒng)質(zhì)量、降低成本。

1.3 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)

為保證非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)有效、安全的進(jìn)行控制，考慮到機(jī)械臂的最大負(fù)載為3 kg，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的電機(jī)質(zhì)量應(yīng)盡可能縮減。肩膀處的電機(jī)選擇了質(zhì)量為0.885 kg的50 A電機(jī)，手肘處的電機(jī)采用50電機(jī)，質(zhì)量為0.735 kg。50 A電機(jī)與50電機(jī)都是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供的，兩者的相同點(diǎn)是質(zhì)量輕、力矩大、安全性好，最大輸出力矩分別為26 Nm和18 Nm。50 A電機(jī)的體積偏大一些，因此安置在結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的肩膀處。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

機(jī)械臂手腕處的活動(dòng)強(qiáng)度最大，設(shè)計(jì)要求相對(duì)高一些，如表3所示。為了實(shí)現(xiàn)表3中規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，手腕處的控制方案采取差動(dòng)機(jī)構(gòu)合成手腕運(yùn)動(dòng)。

表3 機(jī)械臂手腕關(guān)節(jié)控制指標(biāo)

[類型 值 質(zhì)量 小于0.45 kg 最大角速度 小于0.65 m 最大輸出力矩 大于7 Nm 定位誤差絕對(duì)值 小于0.8° ]

差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出力矩由無(wú)刷電機(jī)和諧波減速器匯合而成，如果用和表示手腕關(guān)節(jié)在系統(tǒng)控制下的回環(huán)角度和直線運(yùn)動(dòng)偏移角度，主控芯片在機(jī)械臂兩個(gè)齒輪上的輸出控制角度為和則有：

（1）

（2）

2 非結(jié)構(gòu)環(huán)境感知設(shè)計(jì)

若想讓所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下進(jìn)行高速、高精度的控制，必然要預(yù)先提取出非結(jié)構(gòu)環(huán)境信息。系統(tǒng)將視覺(jué)傳感器安置在工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)車間，對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境進(jìn)行采集，視覺(jué)傳感器安置得越多，采集結(jié)果就越精準(zhǔn)[10]，但為了縮減成本，考慮使用3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器，在節(jié)省傳感器開(kāi)支的基礎(chǔ)上避免傳感器視覺(jué)死角。

將3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器采集到的非結(jié)構(gòu)環(huán)境信息構(gòu)造成環(huán)境地圖，由于非結(jié)構(gòu)環(huán)境存在的視覺(jué)過(guò)渡差異頗高，而直接構(gòu)造3D仿真地圖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此構(gòu)造規(guī)格為6 mm×6 mm的正方形2.5D環(huán)境地圖，既保留了3D仿真地圖的顯示效果，又減少了地圖容量和運(yùn)算量，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制效果。圖3為2.5D環(huán)境地圖構(gòu)造流程，非結(jié)構(gòu)環(huán)境信息先以視差圖的形式進(jìn)行顯示，再對(duì)應(yīng)寫(xiě)入6 mm×6 mm的正方形柵格中，同時(shí)定位到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的管控區(qū)域中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中障礙高度和彎曲度的實(shí)時(shí)顯示。

圖3 非結(jié)構(gòu)環(huán)境的2.5D環(huán)境地圖構(gòu)造流程

圖4是系統(tǒng)對(duì)2.5D環(huán)境地圖中非結(jié)構(gòu)環(huán)境的感知流程，非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特征點(diǎn)主要包括坡度、障礙物邊長(zhǎng)與體積、溝壑邊長(zhǎng)與表面積以及平地距離等。系統(tǒng)使用量化分析方法對(duì)從2.5D環(huán)境地圖中提取出來(lái)的特征點(diǎn)進(jìn)行感知，量化分析的感知技術(shù)靠支持向量機(jī)支撐。支持向量機(jī)將非結(jié)構(gòu)環(huán)境特征點(diǎn)訓(xùn)練成范圍在[-1，1]之內(nèi)的感知系數(shù)，感知系數(shù)的作用是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境地形中選擇一個(gè)能夠規(guī)避障礙的機(jī)械臂角度，并提供給系統(tǒng)主控芯片，從而完善控制指令。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是機(jī)械臂在生產(chǎn)任務(wù)中使用最為普遍的方式，本文采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)設(shè)計(jì)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力進(jìn)行分析。設(shè)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)所處的最初角度分別為-30°，-90°，90°，90°，60°，30°，在不安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)的情況下進(jìn)行一次生產(chǎn)任務(wù)，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的歸一化運(yùn)動(dòng)角度如圖5所示。

在機(jī)械臂上安裝本文系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)，所得結(jié)果如圖6所示。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服力，本文還對(duì)基于7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)和基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了同條件下的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7，圖8所示。

通過(guò)對(duì)比圖5～圖8可得：基于隨機(jī)激勵(lì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線與實(shí)驗(yàn)前的歸一化運(yùn)動(dòng)角度無(wú)明顯差別，表明系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制幾乎無(wú)效，關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力非常差；基于 7R的仿人機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)將原始關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化成了各個(gè)細(xì)小分支，這對(duì)機(jī)械臂提高生產(chǎn)任務(wù)的效率和準(zhǔn)確率具有推動(dòng)作用，表明系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力比較強(qiáng)；本文系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線比圖7曲線更加平滑，而且曲線位置更貼近于圖5曲線，擁有更強(qiáng)的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了分布式結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)械臂各關(guān)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要配件包括PFGA、PCI總線、主控芯片、電流傳感器、力傳感器、無(wú)刷電機(jī)、諧波減速器、RS 644總線和3D旋轉(zhuǎn)視覺(jué)傳感器等，組成了一個(gè)更加適用于工業(yè)生產(chǎn)、擁有超強(qiáng)關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化能力的系統(tǒng)。

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