基于電流環(huán)的可重構(gòu)機(jī)械臂碰撞辨識(shí)方法研究

鄧雁真，魏延輝，趙延峰，高葦杭，謝 聰

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人能夠以一套機(jī)器人模塊，根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)和環(huán)境的需要，快速搭建并產(chǎn)生多種工作構(gòu)形，克服傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)機(jī)器人改裝費(fèi)用高，不能一機(jī)多用等缺點(diǎn)，可滿(mǎn)足快速實(shí)時(shí)的生產(chǎn)生活需要，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一[1～4]，模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人因此能夠在航天、制造業(yè)、核工業(yè)具有很大的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力[5]。

模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人是由許多相關(guān)的有一定自治能力和感知能力的模塊組成，各模塊間有統(tǒng)一的接口環(huán)境，可用于傳遞力、運(yùn)動(dòng)、能量和通信，通過(guò)模塊之間的連接斷開(kāi)操作和相互運(yùn)動(dòng)來(lái)自動(dòng)改變整體構(gòu)形，擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)形式，完成多種運(yùn)動(dòng)及操作任務(wù)[6]。

可重構(gòu)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，要達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)點(diǎn)，很多機(jī)器人都是離線(xiàn)狀態(tài)下工作的，其中目標(biāo)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、力矩、阻抗等內(nèi)容需要預(yù)先設(shè)定好，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程只要按照指定的數(shù)值走就可以。但是工業(yè)機(jī)器人的自由度多，運(yùn)行功率大，工作環(huán)境復(fù)雜，所做的動(dòng)作也較為復(fù)雜，在其工作空間中有著不可預(yù)料的狀況，機(jī)器人很可能與周?chē)奈锛l(fā)生碰撞，導(dǎo)致物件或者機(jī)械手損壞[7]。更為嚴(yán)重的是與進(jìn)入其工作空間的人發(fā)生碰撞，造成對(duì)工作人員的傷害，產(chǎn)生不可挽回的嚴(yán)重后果[8]。為此，有必要解決機(jī)器人的安全性問(wèn)題。所以會(huì)給機(jī)器人添加各種各樣的傳感器，但是這又增加了機(jī)器人復(fù)雜性，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)算速度產(chǎn)生了很大影響，讓整個(gè)工作增加更多的中間反饋環(huán)節(jié)。沈自所王洪光[9]利用力矩方式判斷可重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)形，為可重構(gòu)機(jī)械臂進(jìn)行環(huán)境障礙物辨識(shí)提供借鑒。

本文借鑒已有的研究成果，利用人在未知環(huán)境下抓取物體操作，通過(guò)檢測(cè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的變化分析所受到的關(guān)節(jié)力矩，判斷機(jī)械臂是否與障礙物碰撞和干涉，然后重新規(guī)劃軌跡。

1 可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)

可重構(gòu)機(jī)器人主要有六個(gè)模塊組成，分別為轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、腕部模塊、擺動(dòng)模塊、連接模塊、輔助連接模塊和執(zhí)行模塊。通過(guò)六個(gè)模塊的互相不同順序拼接方式，快速建立一套實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)器人。

轉(zhuǎn)動(dòng)模塊是可重構(gòu)模塊的基本部分，兩端固定的連接模塊回轉(zhuǎn)首先做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)構(gòu)型的需要設(shè)計(jì)了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊（大的編號(hào)為模塊1，小的編號(hào)為模塊5），機(jī)構(gòu)如圖1(a)所示。

擺動(dòng)模塊是一個(gè)雙方向的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，根據(jù)構(gòu)型的需要設(shè)計(jì)了兩個(gè)擺動(dòng)模塊（大的編號(hào)為模塊2，小的編號(hào)為模塊4），如圖1(b)所示。

各個(gè)關(guān)節(jié)模塊中使用了統(tǒng)一的連接模塊，連接模塊1個(gè)是母頭，另一側(cè)是公頭，鏈接模塊統(tǒng)一，就可以互相快速組裝拼接（編號(hào)為模塊3），如圖1(c)所示。

圖1 可重構(gòu)機(jī)器人模塊

這款可重構(gòu)機(jī)器人的執(zhí)行部分就是夾持器，利用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪閉合，可以控制夾持器的開(kāi)關(guān)（編號(hào)為剛體7），結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示。

連桿沒(méi)有運(yùn)動(dòng)單元，為了機(jī)器人某一部分在需要長(zhǎng)距離使用的時(shí)候可以加入連桿部分，增加這部分長(zhǎng)度，如圖1(e)所示。

腕部模塊有兩大部分：橫向的擺動(dòng)部分和縱向的回轉(zhuǎn)部分（擺動(dòng)部分編號(hào)為模塊6（擺），回轉(zhuǎn)部分編號(hào)為模塊6（轉(zhuǎn)）），其整體設(shè)計(jì)小巧靈活，如圖1(f)所示。

2 可重構(gòu)機(jī)器人電流環(huán)采樣系統(tǒng)

2.1 可重構(gòu)機(jī)器人模塊控制系統(tǒng)

可重構(gòu)機(jī)器人模塊控制系統(tǒng)以DSP2812作為主控芯片，通過(guò)EV管理器，進(jìn)行PWM編程，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到光耦器件進(jìn)而輸出到驅(qū)動(dòng)芯片，再利用內(nèi)部QEP電路確定機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)位置以及進(jìn)行智能化控制，如圖2所示。

圖2 可重構(gòu)機(jī)器人模塊控制系統(tǒng)

2.2 電流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電流采集方案使用的是基于霍爾傳感器原理的WCS2702單通道電流檢測(cè)傳感器，其具備寬電壓供電、測(cè)量精準(zhǔn)、響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度好、線(xiàn)性度1000mV/A、檢測(cè)電流范圍是-2A到2A之間的特性，在交直流電流檢測(cè)，電機(jī)電流檢測(cè)等領(lǐng)域都有非常好的應(yīng)用。

電流正方向流入時(shí)輸出電壓為：

電流負(fù)方向流入時(shí)輸出電壓為：

圖3 電流采樣系統(tǒng)

3 基于電流環(huán)的碰撞辨識(shí)

本文定義模塊1為剛體1、模塊2為剛體2、模塊3為剛體3、模塊4為剛體4、模塊5為剛體5、模塊6（擺）為剛體6（A）、模塊6（轉(zhuǎn)）為剛體6（B）、模塊7為剛體7。

由于ADAMS中更多的是剛體碰撞檢測(cè)，但是實(shí)際當(dāng)中柔性碰撞的情況也非常多，所以下面通過(guò)在可重構(gòu)剛體上增加單點(diǎn)受力的情況下分析各關(guān)節(jié)所受力矩，如圖4所示，這樣可以模擬出碰撞的一個(gè)真實(shí)過(guò)程。

圖4 六自由度二碰撞約束

假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分別在第3剛體，第5剛體和第七剛體3個(gè)位置方向上分別增加一個(gè)方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的力（轉(zhuǎn)動(dòng)方向或擺動(dòng)方向），在1.001秒和1.002秒期間分別施加不同的力。

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)添加運(yùn)動(dòng)約束的碰撞辨識(shí)

1） 剛體7添加水平單點(diǎn)力各關(guān)節(jié)力矩如下：

首先，對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)約束函數(shù)STEP(time，0，0，5，-9d)+STEP(time，0.5，0，4.5，0)+STEP(time，4.5，0，5，9d)函數(shù)，僅有在轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，觀(guān)察各個(gè)關(guān)節(jié)的變化，在沒(méi)有單點(diǎn)力情況下個(gè)點(diǎn)力矩如圖5所示。

圖5 六自由度二無(wú)碰撞各關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)

再添加一個(gè)STEP(time，0，0，1，0)+STEP(time，1，0，1.01，3)+STEP(time，1.01，0，1.02，-3)+ST EP(time，1.02，0，5，0)函數(shù)的瞬時(shí)力，可以看見(jiàn)有明顯的力度尖峰，如圖6所示。

圖6 僅轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻剛體7碰撞點(diǎn)各關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)

通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)1有巨大的力矩變化，關(guān)節(jié)5也有一定的變化，而其他關(guān)節(jié)變化并不是非常明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)由于動(dòng)力學(xué)的原因，剛體7突然增加的力矩使得幾個(gè)受力相關(guān)點(diǎn)的力矩突然增大，反映到電機(jī)上就是電流的急劇增加。

由于機(jī)器人的迭代性，從剛體7向剛體1進(jìn)行迭代，每個(gè)關(guān)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生一定的力矩。通過(guò)分析可以得出關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)迭代性產(chǎn)生的力矩，幅值并不大。剛體7是受力點(diǎn)產(chǎn)生了一定的力矩實(shí)際當(dāng)中并不會(huì)有如此大。而關(guān)節(jié)1是轉(zhuǎn)動(dòng)方向反向力會(huì)產(chǎn)生巨大作用力，通過(guò)力矩分析得到受力點(diǎn)為剛體7水平方向。

2）剛體5添加水平單點(diǎn)力各關(guān)節(jié)力矩如圖7所示：

圖7 僅轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻剛體5碰撞點(diǎn)各關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)

通過(guò)分析可以得出關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)迭代性產(chǎn)生的力矩，幅值并不大。而關(guān)節(jié)1是轉(zhuǎn)動(dòng)方向直接反向力會(huì)產(chǎn)生巨大的反作用力，其他關(guān)節(jié)受力并不明顯。所以通過(guò)力矩可以分析出來(lái)受力點(diǎn)為剛體5水平方向。

3.2 擺動(dòng)關(guān)節(jié)添加運(yùn)動(dòng)約束的碰撞辨識(shí)

1）剛體7添加豎直單點(diǎn)力各關(guān)節(jié)力矩如下：

下面是對(duì)剛體5添加一個(gè)障礙物，相當(dāng)于在剛體7上施加一個(gè)瞬時(shí)豎直方向的力，現(xiàn)在對(duì)每一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)添加一個(gè)STEP(time，0，0，5，-9d)+STEP(time，0.5，0，4.5，0)+STEP(time，4.5，0，5，9d)函數(shù)，在擺動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，觀(guān)察各個(gè)關(guān)節(jié)變化如圖8所示。

圖8 僅擺動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)約束

圖9 僅擺動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向剛體7碰撞點(diǎn)各關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)

通過(guò)分析可以得出關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)4是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)迭代性產(chǎn)生的力矩，幅值并不大，如圖9所示。關(guān)節(jié)5由于是剛體7直接受力點(diǎn)產(chǎn)生了一定的力矩但是在實(shí)際當(dāng)中并不會(huì)有如此大。而關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)3，關(guān)節(jié)5是轉(zhuǎn)動(dòng)方向直接反向力會(huì)產(chǎn)生巨大的反作用力，所以通過(guò)力矩可以分析出來(lái)受力點(diǎn)為剛體7豎直方向受力。

2）剛體5添加豎直單點(diǎn)力各關(guān)節(jié)力矩如圖10所示。

圖10 僅擺動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向剛體5碰撞點(diǎn)各關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)

通過(guò)分析可以得出關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)4、關(guān)節(jié)5是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)迭代性產(chǎn)生的力矩，幅值并不大。而關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3是擺動(dòng)方向直接反向力會(huì)產(chǎn)生巨大的反作用力，其他關(guān)節(jié)受力并不明顯。所以通過(guò)力矩可以分析出來(lái)受力點(diǎn)為剛體5豎直方向。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真結(jié)果可知，基于電流環(huán)的機(jī)械臂避障方案是通過(guò)分析因受力變化的電流值，從而分析出機(jī)械臂所受力矩，判斷機(jī)械臂所受障礙物的位置，以此為基礎(chǔ)為機(jī)械臂提供避障方法。相較于以往通過(guò)視覺(jué)信息避障，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)視覺(jué)傳感器和力矩傳感器也能夠自我感知環(huán)境障礙物。水下機(jī)械臂工作在水下，環(huán)境未知，能見(jiàn)度低，本文技術(shù)方案為水下機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃提供有效的解決途徑。

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