基于Sysmac控制平臺的冰壺機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：針對冰壺運(yùn)動在群眾中認(rèn)知度底、相關(guān)理論研究滯后等問題，設(shè)計(jì)了易于搭建、富有研究性的冰壺機(jī)器人。首先對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了建模，研究了冰壺機(jī)器人位置正、反解算法，分析了冰壺間的碰撞關(guān)系。利用Sysmac平臺搭建了冰壺機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，研究了運(yùn)動控制程序及擊打策略，通過3D仿真環(huán)境測試了設(shè)計(jì)的可行性，為進(jìn)一步研究智能算法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冰壺機(jī)器人；Sysmac；運(yùn)動控制；3D仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.113

0 引言

冰壺運(yùn)動起源于蘇格蘭，是一項(xiàng)技巧、智慧、個人和團(tuán)體相結(jié)合、策略性較強(qiáng)的運(yùn)動，距今已有500多年的歷史。我國開展這項(xiàng)活動的時間不長，但是近二十年時間取得了不少優(yōu)異的成績，2022年北京冬奧會為這項(xiàng)運(yùn)動的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的契機(jī)[1]。但是，還存在群眾認(rèn)知度低、后備人才短缺、基礎(chǔ)建設(shè)落后等問題，人才的短缺是最緊迫的問題。為了一定程度上解決人才缺乏、社會認(rèn)知度低、科學(xué)研究缺乏等問題，設(shè)計(jì)了一種基于Sysmac控制平臺的冰壺機(jī)器人，首先對冰壺機(jī)器人進(jìn)行了動力學(xué)分析，初步研究了冰壺機(jī)器人控制程序及算法策略，最后進(jìn)行了算法仿真調(diào)試，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)對戰(zhàn)、機(jī)機(jī)對戰(zhàn)做好前期工作。

1 冰壺機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

1.1 位置的正、反解

冰壺又稱為冰球，以最終場上冰球與圓心的距離遠(yuǎn)近來計(jì)算分?jǐn)?shù)高低，十分講究策略和智慧。本冰壺機(jī)器人平臺為了方便研究算法設(shè)計(jì)了一個如圖1的簡化的平臺，冰壺用模擬的圓柱體小球替代，對弈雙方可以是人-機(jī)，或者機(jī)-機(jī)，雙方根據(jù)視覺傳感器返回的小球的位置采用不同的策略進(jìn)行對戰(zhàn)。如果要控制機(jī)械手運(yùn)動，需要分析其運(yùn)動學(xué)正解、反解[2]。

冰壺機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解是要求已知兩個運(yùn)動軸的旋轉(zhuǎn)角度推算出機(jī)器人末端的坐標(biāo)位置，機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，其中左側(cè)伺服電機(jī)角度、右側(cè)伺服電機(jī)角度、主臂為、從臂為、兩軸間距、平動盤長度，需要求解機(jī)器人末端位置。

若將C點(diǎn)右移，D點(diǎn)左移，兩圓相交于點(diǎn)G，則利用上述（1）、（2）兩式聯(lián)立求解，可得，此為冰壺機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的正解反之，已知機(jī)器人末端位置，主臂、從臂、兩軸間距、平動盤長度，反推左右兩個伺服電機(jī)的角度、，稱之為機(jī)器人運(yùn)動學(xué)反解[3]，這里不再贅述。根據(jù)正反解的算法，在Sysmac平臺中構(gòu)建冰壺機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正、反解功能塊，只需要輸入預(yù)設(shè)的坐標(biāo)值，系統(tǒng)便可以進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動控制。

1.2 冰壺碰撞分析

冰壺?fù)舸驎r兩球之間、球與球場之間會存在碰撞、反彈等物理運(yùn)動，需要進(jìn)一步分析。其中碰撞有完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞和彈性碰撞三種，這里將模型簡化，默認(rèn)冰壺之間的碰撞遵守動量守恒定律，則只存在完全彈性碰撞。如圖3所示，球速度為V，質(zhì)量為m1，球速度為U，質(zhì)量為m2，半徑均為r。在t時刻兩球碰撞，設(shè)兩球球心連線O1O2為軸，過兩球切點(diǎn)且垂直于軸的為軸，碰撞后球O1速度為，球O2速度為。

如果球O1和O2之間是對心正碰，即兩球的速度V和U在同一直線上，碰撞后交換速度：，。

如圖4所示，如果冰壺撞擊球場邊框，小球就會反彈，如果視邊框質(zhì)量無窮大，碰撞邊框?yàn)檩S，其在垂直邊框方向的速度反向，則速度變?yōu)椋?/p>

2 Sysmac控制平臺設(shè)計(jì)

2.1 Sysmac控制平臺簡介

Sysmac控制平臺是歐姆龍公司新一代集運(yùn)動控制、邏輯編譯、視覺分析為一體的自動化設(shè)計(jì)平臺，具有高速度、高精度和高可靠性等特點(diǎn)[4]。該平臺關(guān)注于自動化設(shè)備的一體化連接性能，由四部分組成，分別是集成順序邏輯、運(yùn)動控制和網(wǎng)絡(luò)通信功能的機(jī)械自動化控制器NJ，整合運(yùn)動、序列、驅(qū)動和視覺傳感、編程和仿真的Sysmac studio軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、視覺等信號高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制器EtherCAT，和可對整條生產(chǎn)線或者智能工廠實(shí)現(xiàn)控制協(xié)議的工業(yè)開放式網(wǎng)絡(luò)EtherNet/IP。

2.2 運(yùn)動軸組的建立

冰壺機(jī)器人通過左右兩個伺服電機(jī)來控制前端的平動盤沿著X-Y平面運(yùn)動，這里采用Sysmac studio軟件來實(shí)現(xiàn)伺服軸的配置。首先在運(yùn)動控制設(shè)置里添加兩根并聯(lián)的伺服運(yùn)動軸MC_Axis000和MC_Axis001，分別為機(jī)器人的左右電機(jī)，然后如圖5所示，分別進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置、單位換算設(shè)置、軸操作設(shè)置等，最后將它們配置成的一個軸組MC_Group000。

2.3 FB模塊設(shè)計(jì)

Sysmac平臺使用一個Sysmac studio軟件即可對整個機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行一體化編程，該軟件基于國際IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，提供了包含程序、功能和功能塊的POU編程環(huán)境。不同于以往的梯形圖編程環(huán)境，這種豐富的編程方式可以使程序更加條理化、易讀易維護(hù)化，由于冰壺機(jī)器人需要輸入的參數(shù)比較多，設(shè)計(jì)了如圖6所示的FB功能塊，通過集成化的功能塊實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)輸入、多數(shù)據(jù)輸出，僅需一個軟元件即可啟動程序。通過該FB可對冰壺機(jī)器人控制系統(tǒng)的球的參數(shù)、球的位置、場地環(huán)境等進(jìn)行設(shè)置，同時輸出目標(biāo)位置和初速度等關(guān)鍵信息。

2.4 仿真環(huán)境搭建

Sysmac studio提供了完善的程序調(diào)試和仿真功能，支持運(yùn)動模擬仿真，可以以2D或3D形式顯示跟蹤的數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)動的軌跡。如圖7在“數(shù)據(jù)跟蹤設(shè)置--右鍵添加--單擊數(shù)據(jù)跟蹤”即可添加一個數(shù)據(jù)項(xiàng)目。如圖8所示即可進(jìn)行跟蹤類型、采樣間隔、后觸發(fā)速度比率、觸發(fā)條件等設(shè)置，點(diǎn)擊加載3D模型可以加載冰壺機(jī)器人3D模型，而冰壺機(jī)器人可以簡化為一個正交機(jī)械手，之后進(jìn)行運(yùn)動仿真可以觀察各軸運(yùn)動數(shù)據(jù)和仿真圖像。

3 冰壺機(jī)器人程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

3.1 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

冰壺機(jī)器人的控制程序主要是對Sysmac stduio中配置的兩個軸進(jìn)行運(yùn)動控制，利用內(nèi)置的運(yùn)動控制模塊MC（Motion Control Function Module）以及梯形圖與ST語言相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)[5]。首先使用MC_Power指令對各軸進(jìn)行伺服鎖定，接著使用MC_Home指令將各軸回原點(diǎn)，最后啟用軸組指令MC_GroupEnable將MC_Group000設(shè)置為有效。冰壺機(jī)器人兩軸組成的軸組可以調(diào)用內(nèi)置的直線插補(bǔ)指令MC_MoveLinear來實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)的位移，只需要輸入軸組、位置、速度、加速度等變量，其中位置、速度加速度參數(shù)可以由自編的ST算法語言計(jì)算得出。endprint

3.2 球場局勢檢測

冰壺機(jī)器人需要對場上敵我雙方球的數(shù)量和位置實(shí)時檢測，通常的做法是采用視覺傳感器捕捉場內(nèi)小球的球心坐標(biāo)，本系統(tǒng)由于先期采用模擬仿真的方式開發(fā)，故而場上的球均用系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬運(yùn)動軸組來替代，通過輸入相關(guān)坐標(biāo)信息來仿真實(shí)際環(huán)境，驗(yàn)證擊球算法。這里假設(shè)本方球最多有四個，對方最多也是四個，通過檢測球的X，Y坐標(biāo)值是否在球場內(nèi)可以判斷場上是否有球，再統(tǒng)計(jì)場上本方和對方球的數(shù)量和位置可以進(jìn)行球場局勢的判斷，為下一步擊打策略的實(shí)施做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.3 擊打策略的分析

經(jīng)過場上局勢檢測，獲得本方和對方球數(shù)量及位置分布數(shù)據(jù)，冰壺機(jī)器人需要采取不同的策略進(jìn)行擊打。如圖9所示，場上如果是有無球狀態(tài)，機(jī)器人可以直接擊打至靶心占據(jù)分?jǐn)?shù)最高位置，取得先發(fā)優(yōu)勢。如果場上只有一個對方球，可以直接將對方球擊打遠(yuǎn)離靶心，本方球取代其位置，亦可取得領(lǐng)先。如果場上存在本方球和對方球各一個，若發(fā)球到靶心間無遮擋，則可以直接擊打至靶心，否則判斷本方球是否離靶心更近，若本方球近則只需擊打一個半徑大小的力即可，若對方更近則采用策略二方式或者策略四將本方球擊打至靶心。

3.4 仿真調(diào)試

冰壺機(jī)器人控制系統(tǒng)搭建完畢即可輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，通過不同的本方和對方球數(shù)量和位置可以驗(yàn)證算法的可行性及擊打效果。這里選取本方球坐標(biāo)為[108，360]，對方球坐標(biāo)為[-155，480]，發(fā)球位置為[180，0]，如圖10所示，系統(tǒng)啟動并且開啟仿真調(diào)試后，系統(tǒng)判斷對方球離靶心近，但是通往靶心的路徑又被本方球阻擋，則采取策略二的方式把對方球打遠(yuǎn)。

4 總結(jié)

本文分析了冰壺機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解、反解以及碰撞的物理特性，建立了相關(guān)模型，基于先進(jìn)的綜合性Sysmac平臺，利用Sysmac studio設(shè)計(jì)了運(yùn)動控制模塊，搭建了3D仿真仿真平臺。在仿真環(huán)境中研究了冰壺機(jī)器人控制算法，規(guī)劃了幾種擊打策略，為下一步研究智能控制算法奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李保玲，朱志強(qiáng).我國冰壺運(yùn)動國際競爭力的現(xiàn)狀與對策研究[J]. 哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，34（03）：17-22.

[2]史金良，徐世許，吳琳婧.并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014（10）：46-47.

[3]孫濤，方漪.五桿并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動軌跡插補(bǔ)計(jì)算[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，23（04）：65-68.

[4]鄭昌俊.基于Sysmac自動化平臺的超大型剪板機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].江蘇大學(xué)，2016.

[5] 殷蘇民，孫駿，鄭昌俊等.基于NJ控制器的新型鋅膏注入機(jī)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2016，38（06）：93-96.

作者簡介：眭翔（1989-），男，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)。endprint