基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監測系統設計

盧劍偉

(1.常州工業職業技術學院 信息工程學院，江蘇 常州 213164；2.南京理工大學 計算機科學與工程學院，南京 210094)

0 引言

液壓傳動機械手在機床加工自動化生產線上代替手工操作，能夠提高加工精度和生產效率，避免操作者受傷的安全隱患。為此利用電液伺服技術實現對機器人位置的精確控制。機械臂的運動主要有大臂的抬起運動、前臂的伸展運動、手指的打開運動、腰部的旋轉運動以及手腕的旋轉運動。5種驅動方式都是液壓驅動，分別由5種電路驅動。實現方式為機械手前臂伸臂環、手握腰、手腕握臂環。車間機械手在工作過程中很容易發生碰撞，因此會產生碰撞，設計車間機械手智能防碰撞監測系統對于保證機械手的正常運作有重要意義。

關于車間機械手智能防碰撞監測系統，相關學者已經取得了一定研究成果。文獻[1]提出了一種基于小波變換的車間機械手智能防碰撞監測系統，通過增強圖像來分析監控效果，但表現結果缺乏客觀性；文獻[2]提出了一種基于特征提取的車間機械手智能防碰撞監測系統，確定區域特征量、灰度值特征和輪廓特征，實現監測。該方法能夠用數據形式表達監測狀態，但是對于阻尼系數的監測調節能力較弱；文獻[3]提出了一種基于機器視覺算法的車間機械手智能防碰撞監測系統，引入立體重構技術得到機械手運行的三維場景圖，從而完成狀態監測。該方法能夠實現狀態監測內容，以三維圖像的方式展現出來，但是這種系統下的數據表現方式不靈敏，精準程度較差。

本文針對電液伺服位置控制系統阻尼小的缺點，采用壓力反饋控制，設計了一種新的車間機械手智能防碰撞監測系統，分別設計車間機械手智能防碰撞監測系統的硬件和軟件部分，通過壓力反饋控制技術校正阻尼系數，使系統阻尼比大大提高，并設置閾值判斷機械手是否出現碰撞，啟動智能防碰撞策略，通過硬件監測器將防碰撞策略信息傳輸至機械臂防碰撞開關，實現車間機械手智能防碰撞監測系統設計，滿足系統位置控制要求，提高了機械自動送料和機床加工精度。

1 車間機械手智能防碰撞監測系統硬件設計

機械手的數控雙動拉伸裝置的結構圖見圖1，它主要由拉伸缸、氣缸、壓邊支架、壓板、數控操作臺、液壓泵、油箱及冷卻系統等組成。工藝過程分為下料、拉絲、回料及開模共4步[4-5]。操縱員主要負責兩臺拉伸機之間的工件搬運裝卸工作。為適應拉矯機工作頻率的要求，操作者必須快速、準確地完成裝卸作業，裝卸作業時模具工件要保持一定位置，即操作者必須具有一定的裝料精度[6]。為此，本文設計了一種具有一定功能的自動調心裝置。

圖1 機械手數控雙動拉伸裝置結構圖

數控雙動拉伸機的型號為 YL160/320A-WG，具體參數如表1所示。

表1 車間機械手拉伸機參數

拉伸機生產線三維圖如圖2所示。

圖2 拉伸機生產線三維圖

雙層拉伸機由機械手操作，工件通過輸送帶輸送，實現自動生產[7-8]。

分別設置避碰1開關和避碰2開關，兩個機械手均配置有避碰檢測開關。檢測器開關使用中等距離的激光測距傳感器，檢測器范圍為200～1 000 mm，有90%的反射率和1 mm的分辨率，在高速輸入端口連接 CNC系統[9]。設定阻值，如果兩臂之間的距離小于這組值，最小安全距離防撞檢測開關擁有24 V輸出信號，檢測 NC系統將立即阻止其他運營商共享區域繼續運行，在檢測開關信號消失后，機械手會自動向公用區域方向移動。機器人的避碰發射出兩個 PLC控制程序“禁止讀入”和“軸鎖”[10]。

機械臂1號防撞檢測信號報警“0911”，報警響應為“未讀”或“未進給”；機械臂2水平軸的軸鎖信號同時激活“傳送鎖”，禁止移動雙臂到公共區域。機械臂防碰撞開關如圖3所示。

圖3 機械臂防碰撞開關

在機械臂外安裝防碰撞開關后，引入監測器，監測機械手內部參數。使用JCQ1工作監測器，與機械手串聯，監測設備電流的變化及操作者動作的次數，根據電流的變化判斷操作者是否需要更換監測器[11]。

本文選用的監測器是一種新型監測器，具有監測機械手的工作狀態、動作次數、運轉報警功能，具有靈敏度高、精度高、可靠性好、流量大、適用電壓范圍寬、顯示清晰明顯、結構輕巧合理、外形美觀等特點。除此之外，監測器密封良好，易于安裝，尤其適合超高壓，大容量，頻繁動作的電力系統機械手[12]。監測器串聯電路如圖4所示。

圖4 監測器串聯電路圖

2 基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監測系統軟件設計

根據機械手的智能防碰撞監測系統硬件，設計軟件部分，監測機械手液壓元件內部參數。通過監測器監測機械手內部的液壓缸內部最大負載和液壓缸速度，根據最大液壓缸來判斷機械手所受到的壓力，基于壓力反饋控制原理計算對機械手的工作頻率及阻尼系數，并將機械手的工作阻尼提升到0.6～1.2之間，以實現壓力反饋伺服位置控制器精準運行，據此得到液壓缸來判斷機械手的流量[13]，設定閾值判斷機械手是否出現碰撞，并相應啟動智能防碰撞策略，完成基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監測系統軟件設計。

液壓系統是以線性往復或搖擺作為作動器，將液壓動力轉換成機械能輸出，結構簡單、制作方便、特別適合直線往復運動、應用范圍廣[14]。液壓缸按作用方式可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸[15]。

依據機械臂運動的特點，將機械臂的液壓執行器分為液壓缸和液壓馬達。其中，機械手雙動式液壓缸和臂架單活塞桿雙動式液壓缸，以及雙動式液壓缸液壓馬達，工作壓力和最大流量是機械手液壓傳動元件的主要參數?；趬毫Ψ答伩刂频能囬g機械手智能防碰撞監測程序如圖5所示。

圖5 基于壓力反饋控制車間機械手智能防碰撞監測程序

利用監測器確定機械手內部的液壓缸參數，分析工作負載FR，根據分析結果判斷液壓缸的活塞直徑，計算公式如式(1)所示：

FR=FL+Ff+Fg

(1)

其中:FR表示機械手液壓缸的工作負載；FL表示機械手內部負載和自重產生的負載；Ff表示當機械手為滿負載狀況時，機械手啟動產生的靜摩擦力；Fg表示當機械手承擔全部負載啟動時受到的慣性力。

根據機械手的工作負載和機械手的額定壓力得到液壓缸的有效面積，計算公式為：

(2)

其中:p代表機械手液壓缸的額定壓力；A代表機械手液壓缸的有效面積(mm2)。

根據式(2)得到液壓缸的直徑：

(3)

為了精準控制車間機械手的工作路徑，精準獲取壓力反饋數據，在電液伺服智能位置控制環境中建立數學模型，控制電流與系統命令的發布精準度，伺服的電流控制公式如式(4)所示：

iz=kqi-knp

(4)

式中，iz代表電流負載，kq在實驗環境中的電流增益，i代表控制電流，kn代表壓力反饋增益，p代表負載壓力。

本文系統主要基于壓力反饋控制實現車間機械手的智能防碰撞監測技術，機械手的工作液壓阻尼在不同的實驗環境中容易產生不穩定現象，由于阻尼數值較小，常常使正常的實驗環境達不到實驗仿真標準，因此需要在壓力反饋技術下將機械手的工作阻尼提升到0.6～1.2之間，滿足實驗過程中機械手監測控制對阻尼的需求程度，壓力反饋技術實現提升阻尼系數的原理如圖6所示。

圖6 壓力反饋技術實現原理圖

由圖6可知，壓力反饋控制提升機械手的工作阻尼主要是通過壓力傳感器對機械手的阻尼產生位置進行監測并上傳，在壓力反饋增益器位置設置數據輸出端口，作為壓力反饋控制的阻尼控制核心。本文應用壓力反饋技術對初始數據進行校正，使阻尼系數實時達到滿足實驗正常運行狀態的數值，壓力反饋伺服位置控制器的正常工作頻率為ω1，阻尼系數為ζ1，阻尼增益器的增益系數為K，則阻尼的增益實現公式如式(5)所示：

(5)

(6)

式中,x、y分別代表機械手的上下運動阻力，A代表阻尼增益器的初始阻尼與增益阻尼比，βe代表增益器倍數。公式中的增益器初始增益值是人為設置的，一般需要將阻尼數值設定在0.2～0.7之間才能夠滿足增益器后續對阻尼的持續增益，壓力傳感器反饋系數的阻尼增益程度如表2所示。

表2 阻尼系數增益程度表

根據式(5)、(6)及表2確定壓力反饋伺服位置控制器的工作頻率及阻尼系數，由此獲取精準的壓力反饋數據，得到機械手內部液壓缸的最大流量：

(7)

其中:qmax表示最大流量。設定閾值，分析最大流量與閾值對比，如果最大流量超過閾值，則代表出現碰撞，需要啟動防碰撞策略；如果最大流量小于閾值，則代表未出現碰撞。

3 實驗研究

為了驗證所設計系統的有效性，以文獻[1-3]方法作為實驗對比方法，并通過實驗對比4種系統下的相關數據或內容，驗證本文設計系統的有效性與穩定性。

3.1 實驗步驟及方法

實驗中首先確定實驗環境的穩定性與統一性，避免因環境因素造成實驗結果誤差，本文系統中車間機械手智能防碰撞監測實現環境需要在電液伺服的智能位置控制下進行，應用硬件設計中的部分硬件，再應用伺服液壓缸作為實驗動力組織、智能傳感器作為實驗監測組織、伺服放大器作為實驗電流輸出控制組織，實驗中電液伺服智能位置控制原理如圖7所示。

圖7 電液伺服智能位置控制原理圖

結合壓力反饋技術實現后的實驗參數環境，對不同系數的阻尼系統進行控制信號仿真，設定機械手智能防碰撞監測仿真時間在5 s內，獲取不同時間范圍內的曲線值，阻尼系數確定在0.5時，壓力反饋系數在機械手運行3 s時的響應曲線如圖8所示。

圖8 壓力反饋系數在機械手運行3 s時的響應曲線圖

由圖8可知，在系統運行的1 s內，壓力反饋系數的響應曲線輸出在0.2 s后輸出穩定，符合機械手智能防碰撞監測需求，能夠滿足實驗的正常運行。

實驗中需要將壓力信號通過多種方式向機械手的智能監測中傳達，每種壓力反饋數據會根據不同途徑的傳輸方式而改變壓力反饋結果，為了確保實驗運行參數一致性，本實驗引用沖擊器的油壓數值作為壓力反饋標準數據，與其他形式下的壓力反饋信號使用同種處理方法。實現系統的過程中由于車間環境的復雜將會導致干擾性信號從系統的內部傳輸到監測器中，可能會造成壓力反饋的數據沖擊，極大地方便了系統的數據監測分析過程。

3.2 實驗結果

對4種系統的車間智能機械手防碰撞監測數據精準度進行對比，首先對監測器開關的初始數據格式化處理，通過監測器對機械手的壓力數據計算而獲取相關數據，4種文獻下系統的對比結果如圖9所示。

圖9 4種文獻下系統的監測精準度對比結果

沖擊性能的變化幅度越大，證明該系統的車間智能機械手防碰撞數據監測精準度越低，反之則證明該系統的車間智能機械手防碰撞數據監測精準度越高。根據圖9中的數據可知，在參數不變的情況下，各個系統中的機械手防碰撞相關數據與沖擊器的頻率相關，本文系統設定的壓力反饋數據在3.0～4.0 MPa之間，沖擊幅度變化在±50 J以內，精準度相對于其他三種方法最高，文獻[1]系統、文獻[2]系統、文獻[3]系統的幅度變化分別在±100 J內、±200 J內、±150 J內，受沖擊器的影響較大，導致數據監測結果精準程度較差。由于本文設計的壓力反饋控制技術能夠對監測的數據精準度進行參數比較，實時監測阻尼系數，因此能夠得到準確的機械手防碰撞相關數據。

為體現不同系統的車間機械手智能防碰撞監測效果，將4種系統下的機械手智能防碰撞效果進行對比，共設置10次檢測實驗，每次實驗設置100個機械手碰撞故障，得到防碰撞監測準確率對比結果如圖10所示。

圖10 4種系統下的防碰撞監測準確率對比圖

通過圖10可知，在10次機械手防碰撞監測實驗中，文獻[1]系統的防碰撞控制準確率平均值為81%，文獻[2]系統的防碰撞控制準確率平均值為86%，文獻[3]系統的防碰撞控制準確率平均值為77%，而本文系統的防碰撞控制準確率平均值為95%，本文設計系統對阻尼系數的控制程度較強，在機械手防碰撞開關中安裝監測器用來監測壓力反饋數據，對機械手的工作負壓以及動力流量等系數進行精準計算，在此基礎上設定閾值制定防碰撞策略，能夠有效實現機械手防碰撞監測，提升機械手防碰撞控制精度。

4 結束語

本文提出基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監測系統設計，硬件設計通過機械臂防碰撞開關及防碰撞監測器實現對防碰撞策略的控制，軟件部分通過壓力反饋控制實現機械手碰撞判斷，并設置相應防碰撞策略，傳輸給硬件模塊，實現車間機械手智能防碰撞監測系統設計。實驗結果表明，所設計系統能夠有效提升機械手防碰撞數據的監測精度，實現防碰撞精準控制。