多自由度的危險作業機械臂結構及控制系統研究

董觀金 王鵬勃

摘 要：危險作業機器人完成任務的重點是對機械臂的結構設計和多自由度的運用控制。對于具有特殊要求的作業形式，運用比例控制和直流伺服驅動相結合的關節驅動形式，研究分析了進行無線通信的系統，在立體視覺的遙控操作條件下通過各關節的伺服、分級控制和運用的進行控制的基本措施，提出了半自助，自主兩種作業模式，深入分析了基本的實現原理。最終創建了機械臂的虛擬機樣模型，進行了機械手工作域的仿真分析，依據相應的結果顯示對于設計的基本要求能夠在一定程度上滿足。

關鍵詞：運動控制；雙目立體視覺；機械臂；危險作業

引言：排爆機器人作為移動機器人的一種，它的作用在于代替排爆人員搬運和轉移存在有害危險的物品；替代安檢人員進行實地勘察，并傳輸現場的圖像信息；代替排爆人員使用銷毀器銷毀炸彈。對于這種形式的機器人進行運用的結構主要是輪式或履帶式車體，能夠對于作業機器人進行遠程操控實現危險任務。國內外的排爆機器人機械手，能夠抓取的重量有限，并且比較輕（30kg以下），所以子啊實際工作中的作業范圍會受到一定的限制（水平方向05m～1.5m、垂直方向02m～2.75m）。本篇文章對于作業的機器人進行基本研究有具體的要求，機械手在最遠處夾持重量不能小于50kg、實際的作業范圍在水平方向大于2m、垂直方向大于1m，因此對于機械臂的結構和控制系統來說，有了更高標準的要求。在這樣的基礎條件下，進行了系統的總體設計工作，對于其中的關鍵技術進行了重點分析。

1機械臂結構與驅動方式

依據機器人作業任務的相關要求，相應的機械臂要提供足夠大的驅動力和寬廣的作業實際范圍，充分運用相應的空間。綜合分析以上的影響因素，機械臂進行運動主要通過電氣和液壓混合驅動，一共存在6個自由度，如圖1所示。在基本作業上可以針對三維空間中的任意位置以及姿態的爆炸物。

進行液壓驅動的質量和功率上比較大，只能在一定范圍內進行最大程度的力矩輸出，而腰部的回轉、俯仰大小臂的運動都是通過電液比例伺服進行驅動。液壓系統采用帶有閥內反饋的比例伺服閥，在油液污染方面能夠克服，在系統控制精度方面，帶有位置閉環的雙環電液和伺服閥相當，經濟成本上比較優惠。有效調整工作機械手的位姿，獲得更加精準的定位，伸縮臂進行伸縮運用通過直流電機驅動，這種形式涵蓋了機械手腕部的旋轉以及俯仰運動。直流伺服電機、減速器、電動推桿實現直線平移就能達到伸縮臂伸縮、機械手腕部的俯仰的基本要求，旋轉機械手腕部是通過直流電機運作減速器進行帶動工作的。

2機械臂的運動控制

2.1控制系統架構

圖2所示為機械臂控制系統，主要由三個部分構成：雙目立體視覺系統、遠程控制機器以及車載控制。CCD攝像機、云臺控制器、激光測距傳感器、圖像采集壓縮卡、分割器等構成了基本的視覺系統。在ARM9系統的基礎上進行了寬接入和多信息的融合，能夠綜合相應傳感器的基本信號信息。在運用嵌入式工控機的條件下的就是遠端控制臺，通過在 Windows操作系統基礎上的開放式構件庫，主要包括主控PC機、圖像指令解碼、視頻分割、、微波視頻接收發射等。車載控制器運用的是分級控制的手法，主要包括主控制、軸運動控制等伺服驅動器。

對于機械手的位置和姿態信息進行獲取主要通過車載CCD攝像機以及激光測距（，傳輸微波給遠端控制臺。將基本的抓取目標進行確定后，控制臺經過人工智能化的計算，利用無線傳輸的方式將指令信號傳遞給車載控制器，對于機械臂的運用工作進行一定程度上的控制，最終高效完成相應的作業任務。

2.2關節的伺服控制

為了對機器人進行實時控制，在機械臂的控制系統上主要通過分級控制的方式進行控制。系統的頂層就是車載主控制器，要實現數據的基本通信就要通過RS232總線以及無線數據傳輸，完成正逆運動學求解，對于相應的工作狀態進行處理和控制工作，產生各軸的動作序列。依據制定的相關協議將發送控制指令到CAN總線上，各軸控制模塊根據總線標識對于數據幀進行識別和接收，實現速度反饋環的位置控制，對于執行的機構進行精準掌控。如圖3所示。對于DSP事件管理器進行控制輸出PWM波占空比的變化調節閥的開度，對于執行元件的速度流量進行調節使之發生改變，同時依據A/D采樣位移的實時反饋進行校正處理。確定比例閥的特性，通過自適應模糊滑模控制方法對于系統固有的非線性特性、參數不確定性進行一定程度的克服，防止受到外界干擾因素的實際影響。

伸縮臂伸縮、腕部擺動旋轉都通過DSP基礎上的電機伺服控制系統進行展現。

如圖4所示。

3作業模式及安全措施

機器人進行危險作業主要有兩種形式：半自主和自主抓取，這兩種形式需要在安全范圍內進行遙控操作。半自主抓取的方式下，雙目攝像機能夠快速的捕機械手位姿以及基本的環境信息，通過激光測距對于機械手以及目標的實際距離進行一定程度上的確定。運用無線傳輸的方式將信息輸送到遠端控制臺，操作者通過控制手柄對于機器人的身體部位進行遙控，進行基本的作業。在當前的作業模式之下，值得注意的就是機械手的起始點和實際的目標點，而運動軌跡因此被規劃為點到點的基本運動。機械手在笛卡兒坐標系有多條可能的軌跡，因此相應關節的實際運動不需要進行聯動處理，在運動時間上可以有所不同。在自主抓取的基本方式下，確定抓取的目標后，就能確定機械臂進行運動的最佳軌跡。車載主控制器依據計劃好的運動軌跡，通過逆運動學獲取機器人關節的實際目標位置；與此同時，為了保證關節運動的平穩狀態，要具體規劃機器人的關節運動，即為了控制機械臂進行的運動通過多項式插值對于中間時刻的關節位置進行基本的計算工作。車載主控制器通過無線傳輸的方式輸送控制指令到各軸運動控制器，這項工作不用人為操作。因此機器人的各關節進行協調就能達到基本的工作要求。在這種狀況下，機械手運動軌跡實行路徑跟蹤。機器人要在非結構化的環境中作業，最重要的就是對于機械識別抓取目標和目標位置進行基本明確。危險作業機器人在機械手上安裝了雙目系統，運用激光測量距離的輔助作用下，雙目系統和目標共同形成了“測距三角形”，求解的精準程度伴隨機械手接近目標而提升，在數次的鄰近目標后，誤差可以被控制在一定范圍內。因為機器人的作業環境會被外界干擾和影響，對于系統的硬件和軟件都要進行基本的保護，如：液壓系統產生事故時，比例閥應該立刻封住油路，保證各液壓驅動關節的位置不變；利用螺旋副的機械自鎖功能進行物體的抓取工作；通過過壓和過流的形式保護直流伺服電機；當液壓系統、伺服電機產生事故時，控制子模塊輸送給車載主控制器特定的故障代碼，最終展示在遙控終端。

4結束語

當前在機器人領域需要重點研究的就是能夠執行危險作業的機器人。本篇文章依據機器人進行工作的實際需求，全方位的對機械臂系統進行了設計，利用液壓和電機混合驅動的關節布局形式，這種形式實現作業的范圍比較廣泛、對于控制工作掌控的程度高，進行抓取的重量比較大，而機械臂的控制系統綜合了立體視覺和智能化算法，在一定程度上發揮了機器人網絡化功能的實際作用，提供了參考的價值和依據。與此同時，為了使自主抓取方式提升精準度，擴大可操作的實際范圍，建立在圖像分析技術條件下的目標識別、定位服務以及各關節的伺服控制精準度在運用的精準程度上有待提升和改進。

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