基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高永香，賈 瓊，蘇云峰，劉晨婧

(1.沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.東軟教育科技集團(tuán)，沈陽 110179)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，多類別機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、安防、消防等多個(gè)領(lǐng)域，極大程度降低了人員勞動(dòng)力輸出，提升了單位時(shí)間下的工作效率。一些特殊高危作業(yè)環(huán)境，機(jī)器人的應(yīng)用最大化保障了人員作業(yè)安全，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

在諸多機(jī)器人中，爬壁機(jī)器人是近幾年新興的機(jī)器人。利用真空吸附原理，配合當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)，使爬壁機(jī)器人能夠適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境。其中爬壁過程中吸附控制的精準(zhǔn)度，直接決定著爬壁機(jī)器人的爬壁性能。因此爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)控制量必須滿足較高的精度。通過對(duì)當(dāng)下系統(tǒng)控制量分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)針對(duì)吸附控制的精度普遍存在誤差，究其原因，主要由反饋數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)之間變量在同步過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)不對(duì)稱所導(dǎo)致。解決控制數(shù)據(jù)的同步對(duì)稱問題是提升控制系統(tǒng)的核心。通過對(duì)D-H參量的研究發(fā)現(xiàn)，基于D-H參量的控制數(shù)據(jù)，具有較高的數(shù)據(jù)同步對(duì)稱性[1]，因此提出基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)基于D-H參數(shù)的硬件與軟件，完成對(duì)控制數(shù)據(jù)的同步對(duì)稱優(yōu)化，提升控制精度。

1 基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，總共分為兩個(gè)部分：

圖1 基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)示意圖

1)控制參量的D-H參量分析計(jì)算硬件部分，主要用于爬壁機(jī)器人吸附控制的D-H參量相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算。其中主要通過基于D-H參量設(shè)計(jì)生產(chǎn)的相關(guān)器件組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行進(jìn)過程中全局軸線數(shù)據(jù)的測量，結(jié)合硬件TCP中心數(shù)據(jù)工具，完成對(duì)機(jī)器人吸附行進(jìn)過程中不同硬件傳感器數(shù)據(jù)的匯總，形成可引導(dǎo)后續(xù)D-H參數(shù)模型計(jì)算的擬合數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2)基于D-H參量的控制變量計(jì)算程序，即系統(tǒng)的軟件部分。其中根據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)功能的不同，可分為爬壁機(jī)器人吸附參數(shù)同步對(duì)稱程序與控制精度優(yōu)化程序。通過對(duì)硬件平臺(tái)擬合數(shù)據(jù)的分析計(jì)算和對(duì)機(jī)器人TCS固定矩陣數(shù)據(jù)的變換，獲得機(jī)器人擬合形態(tài)下的非線性運(yùn)動(dòng)曲線，通過D-H參數(shù)將其運(yùn)動(dòng)模型量坐標(biāo)映射于控制接口之上，實(shí)現(xiàn)不同傳感器之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，保證不同運(yùn)動(dòng)軸數(shù)據(jù)與D-H參量的耦合性，從而獲得最優(yōu)的、連續(xù)、完整的控制輸出量。

2 爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)硬件，包括處理模塊及遙感控制模塊，處理模塊以S6C4500中央微型控制器為核心，完成處理模塊功能的實(shí)現(xiàn)，遙感控制模塊通過八向無線控制遙感器KJ-F6000X-T6實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，完成爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1 處理模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架中硬件設(shè)計(jì)方案，結(jié)合當(dāng)下爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)存在的控制問題，從設(shè)計(jì)硬件層全局入手對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)共分為兩部分，分別負(fù)責(zé)參數(shù)處理與數(shù)據(jù)控制。

負(fù)責(zé)參數(shù)處理的硬件處理模塊，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括：基于ARM11架構(gòu)[2]的S6C4500中央微型控制器以相關(guān)功能的外部電路、DT46C1050無線通信網(wǎng)卡及動(dòng)態(tài)陀螺儀控制器。

處理模塊設(shè)計(jì)充分考慮到爬壁機(jī)器人在吸附過程中的數(shù)據(jù)處理量特點(diǎn)，針對(duì)數(shù)據(jù)量基數(shù)大，并發(fā)同步性強(qiáng)的剛性條件做了針對(duì)性設(shè)計(jì)。采用基于ARM11架構(gòu)的S6C4500中央微型控制器作為硬件結(jié)構(gòu)的核心處理主控，支持對(duì)D-H參數(shù)的多路數(shù)據(jù)同步擬態(tài)，能夠?qū)ε辣跈C(jī)器人吸附過程中的全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定處理。通過S6C4500中央微型控制器內(nèi)部集成的基于D-H參數(shù)采集A/D編碼器，能夠瞬態(tài)將機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)等不同傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化擬態(tài)處理，通過DT46C1050無線通信網(wǎng)卡高速交互信道，將處理指令數(shù)據(jù)出送至動(dòng)態(tài)陀螺儀控制器，完成對(duì)機(jī)器人吸附姿態(tài)等控制變量的控制操作，保證控制的實(shí)時(shí)性與可靠性。

處理模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 處理模塊功能實(shí)現(xiàn)過程原理

處理模塊功能實(shí)現(xiàn)過程原理如圖3所示。

圖3 處理模塊功能實(shí)現(xiàn)過程原理

總體來說，處理模塊能夠?qū)ε辣跈C(jī)器人吸附控制過程中的數(shù)據(jù)同步的對(duì)稱性與實(shí)時(shí)性進(jìn)行保障。

2.2 遙感控制模塊設(shè)計(jì)

遙感控制模塊設(shè)計(jì)采用支持D-H參數(shù)控制數(shù)據(jù)的八向無線控制遙感器KJ-F6000X-T6。能夠?qū)ε辣跈C(jī)器人吸附過程中前、后、左、右、左前方、右前方、左后方、右后方以及吸附壓力增加與減小進(jìn)行控制。

遙感控制模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的遙感器內(nèi)部集成了一個(gè)基于D-H參數(shù)計(jì)算的MUC與4個(gè)15 kΩ的觸控變阻器以及一個(gè)無線射頻信號(hào)發(fā)生器。設(shè)計(jì)硬件控制實(shí)現(xiàn)過程如下：當(dāng)觸控變阻器感應(yīng)到電路電壓時(shí)，觸控區(qū)域電壓值會(huì)根據(jù)遙感器控制方向變化而發(fā)生改變，通過電壓值改變系數(shù)所對(duì)應(yīng)的控制指令集，完成MUC控制機(jī)構(gòu)對(duì)指令的發(fā)送。根據(jù)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中吸附數(shù)據(jù)的變化，通過控制吸附馬達(dá)工作功率，調(diào)整機(jī)器人行進(jìn)速度，配合方向控制，完成爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作。遙感控制模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 遙感控制模塊驅(qū)動(dòng)電路

3 基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)軟件

3.1 基于D-H參數(shù)的吸附同步對(duì)稱程序設(shè)計(jì)

完成硬件設(shè)計(jì)后，根據(jù)設(shè)計(jì)硬件性能對(duì)其進(jìn)行軟件程序適配設(shè)計(jì)。軟件程序設(shè)計(jì)根據(jù)硬件功能劃分，對(duì)應(yīng)分為兩部分，首先為基于D-H參數(shù)的吸附同步對(duì)稱程序的設(shè)計(jì)。程序基于D-H參量的空間對(duì)稱控制特征，對(duì)機(jī)器人吸附過程中的空間坐標(biāo)量進(jìn)行同步協(xié)調(diào)，利用笛卡爾空間坐標(biāo)控制量映射，完成吸附同步過程中的參量對(duì)稱優(yōu)化。軟件功能實(shí)現(xiàn)的具體流程如下：

在機(jī)器人吸附過程中，將此狀態(tài)下的X1、Y1設(shè)置為機(jī)器人D-H參量的初始坐標(biāo)系數(shù)參量。將機(jī)器人控制遙感器的控制數(shù)據(jù)映射于MUC D-H參量的速度量。

根據(jù)速度運(yùn)動(dòng)模型可知，機(jī)器人在吸附運(yùn)動(dòng)過程中，行進(jìn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)在卡迪爾空間[3-6]所對(duì)應(yīng)的X1與Y1方向上的速度量可通過計(jì)算獲得，在此情況下機(jī)器人吸附行進(jìn)的不同位置上傳感器反饋數(shù)據(jù)K2、K3與K4的同步對(duì)稱情況可分為2種情況：

1) 機(jī)器人吸附腔體內(nèi)氣塞的抬起與放下。如圖5(a)所示，當(dāng)D1代表吸附氣塞受力點(diǎn)時(shí)，換氣塞D2向上抬起，若此時(shí)D2代表吸附氣塞受力點(diǎn)，如圖5(b)所示，可知此時(shí)的換氣塞D1的控制運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)。受力氣塞與換氣塞數(shù)據(jù)不同步時(shí)，相同的作用效果，會(huì)促使換氣塞在Y1方向上形成反方向運(yùn)行效果。為了保證控制遙感器觸控方向控制軸數(shù)據(jù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)映射結(jié)果不受力氣塞數(shù)據(jù)不同的影響，當(dāng)D1代表吸附氣塞受力點(diǎn)時(shí)，y→by；當(dāng)D2為吸附氣塞受力點(diǎn)時(shí)，y→-by。其中，y代表觸控方向控制軸y軸的值，by代表機(jī)器人換氣塞沿Y1方向活動(dòng)頻率，箭頭代表映射標(biāo)簽。

圖5 吸附氣塞吸附數(shù)據(jù)同步過程

2)爬壁機(jī)器人移動(dòng)數(shù)據(jù)同步。如圖6所示，若D1或D2代表吸附氣塞受力點(diǎn)，坐標(biāo)點(diǎn)正向位移代表機(jī)器人前進(jìn)，坐標(biāo)點(diǎn)正向位移代表機(jī)器人后退，遙感器觸控方向控制軸數(shù)據(jù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)映射結(jié)果為：x→bx，其中，x代表觸控方向控制軸x軸的值，bx代表機(jī)器人換氣塞沿X1方向活動(dòng)頻率。

圖6 吸附氣塞移動(dòng)數(shù)據(jù)同步過程

3.2 基于D-H參數(shù)的控制程序設(shè)計(jì)

完成爬行機(jī)器人數(shù)據(jù)同步程序設(shè)計(jì)后，對(duì)同步后的控制量進(jìn)行數(shù)據(jù)精度控制程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)同樣采用基于D-H參量的擬合控制算法作為程序設(shè)計(jì)核心。結(jié)合機(jī)械力學(xué)與運(yùn)動(dòng)力學(xué)，對(duì)爬行機(jī)器人吸附過程中的數(shù)據(jù)控制量進(jìn)行機(jī)械量拆分，利用D-H參量控制模型對(duì)差分量進(jìn)行小范圍精度優(yōu)化，最終將多個(gè)優(yōu)化精度量擬合，獲得高精度的控制輸出量。

基于上述設(shè)計(jì)思想，對(duì)基于D-H參數(shù)的控制程序設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)原理，做如下詳細(xì)描述。

設(shè)計(jì)程序中構(gòu)建的控制機(jī)輪模型如圖7(a) 所示，核心主牽動(dòng)臂帶動(dòng)從機(jī)輪沿牽動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再次控模型中，運(yùn)動(dòng)控制量形成一個(gè)閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈。控制模型映射于爬壁機(jī)器人相關(guān)器件的運(yùn)動(dòng)過程如圖7(b) 所示。

在程序設(shè)計(jì)中，主要工作機(jī)制是對(duì)機(jī)器人控制機(jī)輪組信號(hào)進(jìn)行控制，通過對(duì)其中的直齒齒輪表面摩擦系數(shù)進(jìn)行過濾，獲得動(dòng)力機(jī)輪工作面上的反向動(dòng)力數(shù)據(jù)。根據(jù)機(jī)輪接觸面積對(duì)機(jī)器人輸出控制量精度優(yōu)化閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)定。當(dāng)機(jī)輪接觸面對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)較小時(shí)，其產(chǎn)生的影響效果可忽略不計(jì)[7-9]。當(dāng)機(jī)輪組接觸面滿足了嚙合切角大于預(yù)設(shè)角度時(shí)，此時(shí)僅對(duì)切角形成方向上的切向力fR進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)程序?qū)Υ藸顟B(tài)下的控制量精度優(yōu)化范圍進(jìn)行取值，采用基于運(yùn)動(dòng)等效的D-H參量，將整體控制變量分為機(jī)輪變量控制量與封閉數(shù)據(jù)鏈控制量兩部分，如圖7(c)、(d)所示。

圖7 基于D-H參數(shù)的控制程序?qū)C(jī)器人機(jī)輪組信號(hào)控制原理

當(dāng)處于封閉數(shù)據(jù)鏈控制狀態(tài)時(shí)，受到垂直負(fù)壓參量變化的影響，控制機(jī)輪牽引臂帶動(dòng)數(shù)據(jù)會(huì)增大[13-15]，因此需要在原有控制變量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入垂直負(fù)壓參量進(jìn)行綜合控制量輸出精度閾值分析，獲得引入垂直負(fù)壓參量后的控制量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)設(shè)計(jì)的基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)對(duì)輸出量控制精度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)配置

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性，實(shí)驗(yàn)將采用傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)與基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)將分別同兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測試過程中，接受測試的系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)定好的爬壁機(jī)器人吸附動(dòng)作進(jìn)行控制，并對(duì)控制過程中的指令控制數(shù)據(jù)日志鍵值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)鍵值指標(biāo)，綜合量種系統(tǒng)下設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)比數(shù)據(jù)做出測試結(jié)論。

4.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)對(duì)比數(shù)據(jù)

對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)控制精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提出的設(shè)計(jì)系統(tǒng)各項(xiàng)控制參量系數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且由于傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)控制參量；從數(shù)值大小可以看出，提出的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)控制參量系數(shù)值。因此，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)符合提升控制精度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)對(duì)比數(shù)據(jù)

基于上述測試環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)控制精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提出的設(shè)計(jì)系統(tǒng)各項(xiàng)控制參量系數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且由于傳統(tǒng)基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)控制參量；從數(shù)值大小可以看出，提出的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于分布式技術(shù)的控制系統(tǒng)控制參量系數(shù)值。因此，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)符合提升控制精度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，結(jié)合兩次實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)分析后可作出如下結(jié)論：在對(duì)爬壁機(jī)器人移動(dòng)控制上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度；在對(duì)爬壁機(jī)器人吸附控制上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度；在對(duì)爬壁機(jī)器人指令控制上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度；基于上述控制精度數(shù)據(jù)，可以證明提出的基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有提升爬壁機(jī)器人吸附控制精度的效果。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)當(dāng)下爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)，存在的控制精度低問題進(jìn)行了深入分析，對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)控制同步不對(duì)稱癥結(jié)引入了D-H參量進(jìn)行解決，提出了基于D-H參數(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過基于D-H參數(shù)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有提升控制精度的效果。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的提出與可行性論證，為爬壁機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的日后研發(fā)，提供了新的解決方案。隨著爬壁機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍舊具有升級(jí)優(yōu)化的空間。