李佳兵 王茜 高紫韻 李歡 劉欣 郭培鑫茜 高紫韻 李歡 劉欣 郭培鑫

摘要：伴隨著不斷加快的工業(yè)化進(jìn)程，機(jī)械臂因其精度高、靈活性高的優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的工業(yè)作業(yè)中，重載機(jī)械臂不僅要有足夠的負(fù)載能力，還需要更高的精準(zhǔn)度，以便于作業(yè)中精準(zhǔn)的安裝?；诖?，加入PSO優(yōu)化算法，對(duì)重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件及軟件方面進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，并通過與傳統(tǒng)載荷控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果表明新的系統(tǒng)更加精準(zhǔn)、有效。

關(guān)鍵詞：PSO優(yōu)化算法;重載機(jī)械臂;載荷參數(shù);自動(dòng)控制;

中圖分類號(hào)：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

機(jī)械臂是一種高精度、多輸出、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。由于其特有的操作靈活性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)裝配、安全防爆等領(lǐng)域之中。目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者正在進(jìn)行機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)以及控制方面的研究，能夠讓機(jī)械臂更好地完成預(yù)期的效果。在大型的裝配線上，重載機(jī)械臂要滿足更高的精準(zhǔn)度，因此需要對(duì)重載機(jī)械臂的載荷參數(shù)進(jìn)行精確的自動(dòng)化控制。但是由于產(chǎn)生的高負(fù)載影響，很可能會(huì)造成系統(tǒng)的參數(shù)不準(zhǔn)確以及使重載機(jī)械臂產(chǎn)生巨大的慣性現(xiàn)象，影響任務(wù)工業(yè)作業(yè)^[1]。為了防止這一問題的產(chǎn)生，本文利用PSO優(yōu)化算法對(duì)重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。

1重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮到進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)的重載機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，圖1為重載機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。L1表示與基座相連接的連桿，L2表示與L1相連接的連桿，L3表示與L2相連接的連桿，其中L1可以在范圍內(nèi)以基座為軸進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，L2可以在x1軸上進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，L3只可以由x2軸轉(zhuǎn)動(dòng)到x3軸上。

基于重載機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖，新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要硬件分為以下幾個(gè)部分組成：一套PLC設(shè)備，兩套運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、工業(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備。在對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制時(shí)還需要兩臺(tái)機(jī)械臂的公共液壓站和操作臺(tái)操作的邏輯控制設(shè)備。運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的功能是為了讓機(jī)械臂可以自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的控制，通過一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)可以控制兩套機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的軟件，可以通過操作臺(tái)上的按鈕隨時(shí)切換兩套系統(tǒng)軟件以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械臂的操作畫面。

本設(shè)計(jì)中采用的運(yùn)動(dòng)控制器是一種多軸運(yùn)動(dòng)控制器，同時(shí)這種控制器也是世界上功能最全、計(jì)算速度最快、可靠性較高的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備之一。這種控制器中所采用的處理器是數(shù)字信號(hào)處理器。這種控制器的主體外觀呈現(xiàn)三個(gè)U型框架結(jié)構(gòu)，CPU是通過IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行交流，同時(shí)也可以通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行控制，另外控制器還支持USB以及光纖等方式進(jìn)行傳輸。運(yùn)動(dòng)控制器具有靈活的編程語言，最多可以同時(shí)控制24軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具有優(yōu)良的直線、曲線加減速、PLC控制能力等^[2]?？刂破髦饕呻娫?、CPU、軸卡等模塊組成。其中軸卡是一種帶有輸出信號(hào)的模擬量輸出卡，最多可以同時(shí)進(jìn)行控制5 根軸。

2重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1PSO優(yōu)化算法

PSO優(yōu)化算法又稱粒子群優(yōu)化算法，是一種利用種群行為的并行全局的搜索方法^[3]。PSO優(yōu)化算法與其他算法相比較，也是利用群體和進(jìn)化的概念完成。根據(jù)單一個(gè)體的適應(yīng)值大小進(jìn)行相應(yīng)的操作，以粒子為單位找出自身的最佳值和整個(gè)種群中的最佳值以完成優(yōu)化的過程。

在重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，利用PSO優(yōu)化算法在最大載荷和最小載荷范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，系統(tǒng)中粒子表示范圍內(nèi)的不同載荷，假設(shè)在T時(shí)刻，某一粒子i的載荷數(shù)為Q_i，每個(gè)粒子的速度為V_i，在運(yùn)動(dòng)過程中將最佳的載荷數(shù)計(jì)為P，重載機(jī)械臂在經(jīng)過的最佳狀態(tài)計(jì)為G，在下一時(shí)刻T+1時(shí)，更新的公式如下：

在公式中，m表示慣性權(quán)重、c₁c₂表示為加速度的常數(shù)、r_1、r₂表示在0-1中間的相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)。利用PSO優(yōu)化算法的基本流程是：首先隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)載荷數(shù)最為初始的初始粒子群體;再通過公式計(jì)算出每個(gè)粒子的適應(yīng)度;將計(jì)算出的適應(yīng)度與個(gè)體當(dāng)前的最佳位置進(jìn)行比較，若結(jié)果好則替換當(dāng)前位置作為最好位置P;再與全局的最好位置進(jìn)行比較，若還是好于全局最佳位置則將其替換掉當(dāng)前的位置作為全局最好位置G;獲得的G通過上述公式得到具體的位置與速度;若未達(dá)到事先要求的條件，則返回到第二步重新獲得粒子的適應(yīng)度。

2.2力矩控制系統(tǒng)

在普通的機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，假設(shè)一個(gè)精確已知的系統(tǒng)控制參數(shù)，控制器的設(shè)計(jì)由計(jì)算力矩的方法完成，并且能夠保證系統(tǒng)的控制達(dá)到穩(wěn)定。但是在工況較復(fù)雜且多變的重載機(jī)械臂的載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于摩擦力以及其他外界的干擾造成模型不易確定，導(dǎo)致利用計(jì)算力矩法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)很難滿足要求的效果^[4]。因此為了克服由于系統(tǒng)的不確定性造成重載機(jī)械臂控制系統(tǒng)的影響，在此增設(shè)一個(gè)標(biāo)稱的計(jì)算力矩控制器系統(tǒng)，并增加一個(gè)滑模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償系統(tǒng)，通過兩者的共同作用完成對(duì)重載機(jī)械臂載荷參數(shù)的自動(dòng)控制。

2.3?PLC 軟件結(jié)構(gòu)

在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中采用了一套PLC設(shè)備控制兩臺(tái)機(jī)械臂，為了使PLC設(shè)備中的軟件結(jié)構(gòu)化，并且同時(shí)能夠減少調(diào)試所需要的時(shí)間，將機(jī)械臂的所有功能都按照不同的FA和FB實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)A主要是由液壓站控制、機(jī)械臂操作模式對(duì)FA進(jìn)行轉(zhuǎn)化、機(jī)械臂自動(dòng)控制、PLC以及各機(jī)械臂通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、與機(jī)械臂相連的設(shè)備接口的通信、機(jī)械臂警報(bào)系統(tǒng)等組成。FB主要包括機(jī)械臂自動(dòng)限幅以及位置的判定、S型曲線斜坡函數(shù)發(fā)生器、判斷與其相鄰的設(shè)備通信狀態(tài)設(shè)備等組成。

在作業(yè)過程中，機(jī)械臂與相鄰的設(shè)備間的距離很近，為了避免由于機(jī)械臂造成的誤動(dòng)對(duì)相鄰設(shè)備和機(jī)械臂本身造成破壞，因此在PLC中要加設(shè)32個(gè)參考位點(diǎn)，機(jī)械臂只允許在這32個(gè)參考位點(diǎn)中的某一位置進(jìn)行伸縮、升降以及夾鉗開閉的動(dòng)作，在除32個(gè)參考位點(diǎn)以外的位置上只允許在機(jī)械臂收縮的情況下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且所有功能都需要由機(jī)械臂自動(dòng)限幅以及位置判斷FA配合機(jī)械臂自動(dòng)控制FB來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了能夠讓機(jī)械臂的動(dòng)作更加柔和，減少機(jī)械沖撞造成的破壞，在機(jī)械臂加減速的過程中加設(shè)S型加速曲線，發(fā)生器FA給定速度的大小，S型加速時(shí)間生成加減速的時(shí)間。再根據(jù)比例閥控制機(jī)械手油缸的給油流量，從而可以控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度完成相應(yīng)的作業(yè)。

2.4運(yùn)動(dòng)控制軟件結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制器中最重要的三個(gè)類型程序分別為PLC程序、PLCC程序以及Program運(yùn)動(dòng)程序，PLCC程序的作用是將編程軟件中編制的程序通過編輯和翻譯生成機(jī)器碼，然后再下裝到運(yùn)動(dòng)控制器中并執(zhí)行。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器中執(zhí)行的是機(jī)器碼，而PLCC程序本身所占用的內(nèi)存很小，因此運(yùn)動(dòng)控制器工作時(shí)的效率和速度都有很大幅度的提高^[5]。而PLC程序是將軟件中編制的程序直接以文本的形式下裝到運(yùn)動(dòng)控制器中，由控制器解釋并執(zhí)行。通過兩種程序的循環(huán)掃描執(zhí)行，以完成系統(tǒng)中邏輯的運(yùn)算以及數(shù)學(xué)的計(jì)算。Program運(yùn)動(dòng)程序主要是用來完成機(jī)械臂中機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制，將每一個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡都與對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的軸相對(duì)應(yīng)，并且將幾個(gè)有關(guān)聯(lián)的軸組成一個(gè)坐標(biāo)系，然后通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)對(duì)坐標(biāo)系中的每個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行特定的控制。每個(gè)軸都與運(yùn)動(dòng)控制器中的電機(jī)對(duì)應(yīng)，通過設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)對(duì)機(jī)械臂的每個(gè)動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行特定的控制。Program運(yùn)動(dòng)程序需經(jīng)過相關(guān)工作人員在軟件中根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行編制而自動(dòng)生成，由工作人員下裝到運(yùn)動(dòng)控制器中并執(zhí)行。

同時(shí)在對(duì)機(jī)械臂的載荷參數(shù)控制中，為了減少CPU的負(fù)荷以達(dá)到提高控制精度的目的，所有的計(jì)算都采用PSO優(yōu)化算法進(jìn)行，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的更新以及通信數(shù)據(jù)的刷新;根據(jù)PLC設(shè)備發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的各個(gè)軸的前后位置限定來實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：1）判斷機(jī)械臂下一個(gè)工作是否被允許執(zhí)行;2）實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模式的自由切換和暫停;3）在緊急情況下可以迅速縮回機(jī)械臂。

3實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于PSO優(yōu)化算法的重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度以及可行性，與傳統(tǒng)的機(jī)械臂載荷控制方法進(jìn)行對(duì)比。在其他外界條件不變的情況下，分別利用兩種方法對(duì)重載機(jī)械臂的載荷進(jìn)行控制，并將實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成如圖2所示的曲線圖。

圖2中虛線表示傳統(tǒng)的機(jī)械臂載荷控制方法的精準(zhǔn)度，實(shí)線表示為本文基于PSO優(yōu)化算法的重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過圖2曲線圖可以清晰地看出，本文所介紹的方法對(duì)于機(jī)械臂載荷的自動(dòng)化控制更加準(zhǔn)確，基本維持在百分之九十以上，而傳統(tǒng)的方法難以達(dá)到百分之九十，且隨著時(shí)間的增加，精準(zhǔn)度逐漸降低。導(dǎo)致傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確率低的主要原因是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)的過程中機(jī)械臂產(chǎn)生的摩擦以及外界的其他的干擾因素造成的。而基于PSO優(yōu)化算法的系統(tǒng)可以避免這些因素的干擾，使其無法影響控制的結(jié)果，增加了精準(zhǔn)度的同時(shí)提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4結(jié)束語

本文在設(shè)計(jì)新的重載機(jī)械臂載荷參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)是根據(jù)機(jī)械臂的線性模型提出的，因此這種方法只能在特定的工作中進(jìn)行，所以在使用這一系統(tǒng)時(shí)需要保證系統(tǒng)的捕獲過程中處在同一工作點(diǎn)。在日后的研究中還需要找出更具普遍適用性的系統(tǒng)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]?王琥， 胡立坤， 譚穎. PSO優(yōu)化的六自由度機(jī)械臂全局快速終端滑模控制[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2017， 12（12）：266-271.

[2]?禹鑫燚， 詹益安， 洪學(xué)勁峰，等. 基于粒子群算法的6自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)辨識(shí)[J]. 高技術(shù)通訊：中文， 2017， 27（17）：625-632.

[3]?郝春玲. 一種基于粒子群優(yōu)化（PSO）算法的全局快速終端滑?？刂品椒╗J]. 電子器件， 2017， 40（35）：1304-1308.

[4]?佚名. 基于改進(jìn)粒子群算法的焊接機(jī)器人軌跡優(yōu)化控制方法[J]. 高技術(shù)通訊， 2018， 28（25）：425-433.

[5]?辛鵬飛， 榮吉利， 吳志培，等. 基于粒子群算法的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 37（28）：813-817.