氣動(dòng)輕量型機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)和碰撞檢測(cè)

李 偉 孫明旭 王玉軍

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

近年來(lái)，我國(guó)老齡化趨勢(shì)更加嚴(yán)重，為了提高自身生活水平，以護(hù)理功能為主的機(jī)器人被研發(fā)和推廣，尤其在娛樂(lè)和教育領(lǐng)域的機(jī)械人發(fā)展前景良好。不確定的環(huán)境加大了對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，要想滿足機(jī)器人設(shè)計(jì)和發(fā)展要求，應(yīng)將輕量化作為主要發(fā)展方向。氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂可為人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)提供條件，將交互控制和防碰撞作為機(jī)器人主要研究?jī)?nèi)容，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)型機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的有效推廣。

1 氣動(dòng)輕量型機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案和建模

機(jī)械臂輕量化是為了滿足服務(wù)型機(jī)器人在社會(huì)中滿足不同領(lǐng)域的使用要求，結(jié)構(gòu)小巧、靈活輕便的機(jī)械臂在文教娛樂(lè)、人機(jī)協(xié)作等方面有著重要應(yīng)用意義。首先，要選擇輕質(zhì)材料，如鈦合金、鋁合金、聚四氟乙烯等，其次要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如中空的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)輕量化的有效舉措。各軸間的線纜要在機(jī)械臂內(nèi)部完成走線，能保證線纜運(yùn)動(dòng)范圍不受各軸影響。最后，要利用外形小、質(zhì)量輕的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，可降低機(jī)械臂傳動(dòng)過(guò)程中的復(fù)雜性，由此在簡(jiǎn)化機(jī)械臂方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，確保機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)范圍較大。除了輕量化外，機(jī)械臂設(shè)計(jì)還要滿足柔順控制要求。這一控制是指通過(guò)力傳感器收集控制信號(hào)，以這類信號(hào)操控機(jī)械人行動(dòng)。通常采用力傳感器、視覺(jué)傳感器來(lái)采集外界環(huán)境變化信息，然后將信號(hào)反饋至控制中心，根據(jù)外界變化操控機(jī)器人。上述設(shè)計(jì)要求都是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂有效設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，也是進(jìn)行機(jī)械臂設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為了適應(yīng)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，本文對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械臂進(jìn)行研究，將其分成并聯(lián)型機(jī)器人和串聯(lián)型機(jī)器人兩種，代表性的包括delta 型機(jī)器人和stewart 型機(jī)器人，在產(chǎn)品抓取和航空航天領(lǐng)域取得廣泛運(yùn)用。另外，串聯(lián)型機(jī)器人是較為常見(jiàn)的機(jī)器人構(gòu)型，在生產(chǎn)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。分析各類機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合機(jī)械器特點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)scara 機(jī)械臂構(gòu)型較為靈活，能實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，定位精準(zhǔn)性高。因此，本文選擇scara 型布置形式。從以上闡述可知，氣動(dòng)機(jī)械臂應(yīng)是一個(gè)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，要將以小臂和大臂共同組成的機(jī)械臂作為研究對(duì)象，考慮到機(jī)械臂設(shè)計(jì)時(shí)的輕量化要求，應(yīng)優(yōu)先選擇半中空構(gòu)型，有利于走線布置，還能在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減輕整機(jī)質(zhì)量[1]。另外，在關(guān)節(jié)位置應(yīng)選擇擺動(dòng)氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，去除減速機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器等，簡(jiǎn)化機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)。整機(jī)應(yīng)采用鋁合金材料，降低整體重量并達(dá)到較高機(jī)械強(qiáng)度。在選擇氣動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)，應(yīng)充分考慮位置伺服控制的簡(jiǎn)化和驅(qū)動(dòng)效果較好，這里選用擺動(dòng)氣缸來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2 機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)研究

2.1 氣動(dòng)伺服龍之系統(tǒng)研究軟件和研究流程

這里主要針對(duì)伺服控制系統(tǒng)的算法進(jìn)行研究，利用sinmulink軟件完成建模和算法設(shè)計(jì)，借助仿真機(jī)進(jìn)行樣機(jī)控制，可提高算法可靠性。在這一軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)算法，能減少編程時(shí)間，降低程序修正的復(fù)雜程度，還能快速完成算法調(diào)試。另外，利用半實(shí)物仿真系統(tǒng)，可讓控制算法在真實(shí)作業(yè)情況下進(jìn)行檢驗(yàn)。仿真平臺(tái)將程序轉(zhuǎn)變成C代碼，然后轉(zhuǎn)變成用于采集卡收集的信號(hào)實(shí)施樣機(jī)控制。目前為了縮短研發(fā)周期，順應(yīng)市場(chǎng)需求，應(yīng)在研發(fā)開(kāi)始階段便制定合理的研究方案，因此，本文在研究機(jī)械臂伺服系統(tǒng)控制算法時(shí)，制定相應(yīng)的研究流程，嚴(yán)格執(zhí)行操作流程。具體的流程圖如下。

圖1 控制系統(tǒng)研究流程圖

執(zhí)行以上研究流程，根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械臂設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂響應(yīng)速度應(yīng)在0.5s 之內(nèi)；關(guān)節(jié)角度精度要在±3°以內(nèi)，位置精度控制在±2mm 之內(nèi)；機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)中不能出現(xiàn)抖動(dòng)、突變等現(xiàn)象，要求其具有較高抗干擾能力。

2.2 加速度的反饋校正

氣動(dòng)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在柔性好，使得氣動(dòng)技術(shù)在柔性場(chǎng)合中取得廣泛運(yùn)用，是氣動(dòng)輕量機(jī)械臂設(shè)計(jì)要點(diǎn)。例如，助力機(jī)械臂、康復(fù)機(jī)器人等，在這些設(shè)計(jì)場(chǎng)合中使用氣動(dòng)技術(shù)能完成作業(yè)任務(wù)，同時(shí)可保證使用安全和環(huán)境保護(hù)。但是柔性同樣是啟動(dòng)技術(shù)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)時(shí)的一大弊端。在低壓情況下，氣體強(qiáng)壓縮性在伺服控制系統(tǒng)中更加明顯。在伺服系統(tǒng)中，由于受到氣體這一屬性影響，將出現(xiàn)低阻尼比，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)不穩(wěn)定。解決這一問(wèn)題的方法有以下兩種：一是改進(jìn)硬件條件。但是這一做法成本較高，因此是不可取的；二是優(yōu)化控制算法。是指在伺服系統(tǒng)中添加校正方法，不斷提升系統(tǒng)性能，提高其穩(wěn)定性。根據(jù)控制理論，在系統(tǒng)中加入加速度和速度反饋可達(dá)到校正目的，加速度反饋與系統(tǒng)阻尼比有關(guān)，加入這一反饋可提高阻尼比，而速度反饋能起到提高系統(tǒng)剛度的作用。因此，本文采取加速度反饋的方法，提高機(jī)械臂伺服系統(tǒng)的整體剛度。

2.3 摩擦力前饋控制算法

摩擦力是指兩個(gè)接觸的物體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的力，相關(guān)學(xué)者針對(duì)氣缸摩擦力進(jìn)行了大量研究。從stribeck 摩擦力理論來(lái)看，可建立氣缸摩擦力矩模型，將摩擦力分成四個(gè)階段，深入探討不同階段對(duì)應(yīng)的控制算法，本文在對(duì)stribeck 算法進(jìn)行改進(jìn)后，使其用于氣缸摩擦力模型計(jì)算中。根據(jù)模型分析，我們了解到摩擦力矩具有較強(qiáng)非線性，這種因素會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差[2]。在實(shí)際工程中，低速階段氣缸出現(xiàn)爬行現(xiàn)象的主要原因在于摩擦力是非線性的。在擺動(dòng)氣缸使用中，低速階段是摩擦力從靜到動(dòng)的過(guò)程，這兩者摩擦力矩形成的差值是氣缸出現(xiàn)爬行的主要原因。由于宏觀運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性將降低系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位精確度。總的來(lái)說(shuō)，爬行現(xiàn)象產(chǎn)生原因?yàn)闅飧讖撵o止至開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前，受到摩擦力作用，輕量機(jī)械臂保持不動(dòng)，隨著偏差量增加，則內(nèi)部壓差形成的驅(qū)動(dòng)力超過(guò)靜摩擦力后，驅(qū)使系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上闡述，我們應(yīng)采用一種補(bǔ)償方法解決系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題。大多數(shù)學(xué)者傾向于采取摩擦力前饋控制方法進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)前饋補(bǔ)償傳遞參數(shù)和閉環(huán)系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)倒數(shù)相同時(shí)，可完全消除摩擦力對(duì)系統(tǒng)的影響。從實(shí)際情況來(lái)看，本文在進(jìn)行摩擦力補(bǔ)償時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算摩擦力矩，并根據(jù)觀測(cè)值確定前饋系數(shù)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，試驗(yàn)表明，當(dāng)選擇適宜的前饋系統(tǒng)時(shí)，可避免由于摩擦力距造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定缺陷。

3 氣動(dòng)輕量型機(jī)械臂的碰撞檢測(cè)方法分析

目前相關(guān)文獻(xiàn)中還沒(méi)有關(guān)于氣動(dòng)輕量機(jī)械臂的碰撞檢測(cè)方式，這里從電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂碰撞試驗(yàn)來(lái)討論。通常將碰撞檢測(cè)分成非接觸式傳感器和接觸式傳感器兩種。前者是通過(guò)超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器等，檢測(cè)機(jī)械臂和其他物體間的距離，判斷是否產(chǎn)生碰撞。后者是檢測(cè)碰撞力矩，屬于一種柔順控制方法。具體方法如下：外部力覺(jué)傳感器加檢測(cè)[3]。如博世公司apas 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)便采用這一檢測(cè)方法，ur 機(jī)器人主要采取關(guān)節(jié)摩擦力矩的檢測(cè)方法；電流環(huán)檢測(cè)。該方法是指檢測(cè)碰撞時(shí)的電流變化情況，識(shí)別碰撞時(shí)摩擦力矩大小，具有容易實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是檢測(cè)結(jié)果容易受到外部因素影響，精確度較低。通過(guò)上述分析，本文結(jié)合了擺動(dòng)氣缸特點(diǎn)，利用氣壓傳感器方法，快速檢測(cè)出是否產(chǎn)生碰撞力，通過(guò)估計(jì)外部擾動(dòng)力矩進(jìn)行檢測(cè)，可根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程確定力矩大小。但是實(shí)際計(jì)算結(jié)果和碰撞力矩之間存在差異，因此，應(yīng)將提高碰撞力矩計(jì)算精確度作為研究重點(diǎn)，從計(jì)算方程式來(lái)看，在慣性項(xiàng)要確定加速度，這時(shí)應(yīng)進(jìn)行位移量的二次微分，由此會(huì)帶來(lái)噪聲信號(hào)。從這一角度看，為了保證伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)利用濾波器確保信號(hào)的準(zhǔn)確性，提高氣動(dòng)輕量機(jī)械臂碰撞檢測(cè)有效性。

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要針對(duì)二自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)和碰撞檢測(cè)方法的研究，建立機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)這一機(jī)械臂進(jìn)行伺服控制系統(tǒng)分析，提出加速度反饋和摩擦阻力前饋補(bǔ)充控制模型，還利用摩擦力矩檢測(cè)器，旨在提高摩擦力補(bǔ)償精確性。利用相關(guān)軟件建立分析模型，進(jìn)行試驗(yàn)分析后，可提出有效的控制方法，最大程度提高輕量型機(jī)械臂的防碰撞性能。