基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 香

(陜西電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，西安 710500)

0 引言

遙操作機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種，遙操作是一項(xiàng)遠(yuǎn)程作業(yè)技術(shù)[1]，通過現(xiàn)場(chǎng)感知技術(shù)，向操作員遠(yuǎn)程提供現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人及其周圍環(huán)境的信息，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為當(dāng)前的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自動(dòng)控制提供了一種很好的解決方法[2]。工業(yè)遙操作機(jī)器人具有操作便捷、安全等特點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[3]。工業(yè)遙控機(jī)器作為一種多學(xué)科交叉應(yīng)用的工業(yè)遠(yuǎn)程機(jī)器人，其在執(zhí)行任務(wù)過程中所遇到的問題較多，其中以位姿問題最為突出。為此，相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者紛紛對(duì)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)作出了研究。

文獻(xiàn)[4]提出基于PLC和機(jī)器視覺的控制系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺技術(shù)，采用圖像傳感器拍攝目標(biāo)物體圖像，提取出目標(biāo)圖像的坐標(biāo)和位姿，利用PLC驅(qū)動(dòng)控制采摘機(jī)器人以最優(yōu)路徑和最佳姿態(tài)。該方法對(duì)機(jī)器人位置控制精度較好，但該方法未考慮機(jī)器人位姿角度，對(duì)機(jī)器人姿態(tài)角的控制精度較差。文獻(xiàn)[5]提出基于六維鼠標(biāo)的控制系統(tǒng)以及基于ROS的控制系統(tǒng)，鼠標(biāo)通過USB與機(jī)器人控制器連接，控制器收到鼠標(biāo)數(shù)據(jù)后，對(duì)鼠標(biāo)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，通過軌跡控制器生成機(jī)器人移動(dòng)軌跡，生成的軌跡再經(jīng)過逆解后作為指令傳入各軸伺服實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。該方法的控制實(shí)時(shí)性較好，但對(duì)機(jī)器人的位置控制精度較差。

大數(shù)據(jù)聚類是一種用于對(duì)樣本或指數(shù)進(jìn)行分類的靜態(tài)數(shù)據(jù)分析技術(shù)。通過大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期能夠提升系統(tǒng)的控制功能，并達(dá)到預(yù)期效果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從硬件和軟件兩個(gè)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)，其中系統(tǒng)硬件的作用是為軟件功能的實(shí)現(xiàn)提供支持，在此次系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，由于應(yīng)用了大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)，因此需要加設(shè)該技術(shù)的運(yùn)行元件，并在傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行更新優(yōu)化，保證硬件設(shè)備之間的適配程度。

工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)硬件由機(jī)器人位姿傳感器、定位控制器、驅(qū)動(dòng)器、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與聚類處理器組成，通過位姿傳感器采集工業(yè)遙操作機(jī)器人實(shí)際位姿數(shù)據(jù)，通過定位控制器生成的實(shí)時(shí)控制命令，利用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)工業(yè)遙控機(jī)器人按照控制指令進(jìn)行定位控制，最后通過大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與聚類處理器實(shí)現(xiàn)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)。

1.1 機(jī)器人位姿傳感器

為了完成對(duì)工業(yè)遙操作機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿的精準(zhǔn)控制，需要確定機(jī)器人各個(gè)組成構(gòu)建在任意時(shí)刻的實(shí)際位姿數(shù)據(jù)，并獲取機(jī)器人所處周圍環(huán)境的具體信息，因此裝設(shè)位姿傳感器設(shè)備[6-8]。優(yōu)化設(shè)計(jì)的位姿傳感器由位置傳感芯片、姿態(tài)角傳感芯片兩部分組成，其中位置傳感芯片以紅外測(cè)距作為傳感原理，遵循三角測(cè)量原理，根據(jù)紅外反饋信號(hào)的不同，得出當(dāng)前機(jī)器人位置與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，從而得出機(jī)器人實(shí)時(shí)位置的傳感檢測(cè)結(jié)果。位姿傳感器中姿態(tài)角傳感芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 位姿傳感器中姿態(tài)角傳感芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，姿態(tài)角傳感芯片由磁力計(jì)、加速度計(jì)以及陀螺儀3個(gè)部分組成，擁有SPI、IIC兩種最基本的數(shù)據(jù)通信方式。該傳感芯片采用16比特 ADC，其器件結(jié)構(gòu)與其匹配的參數(shù)范圍比較寬。系統(tǒng)利用IIC總線可以對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。通過傳感器的優(yōu)化能夠同時(shí)獲得機(jī)器人姿態(tài)角、方位、位置、速度等參數(shù)信息，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的位姿傳感器安裝到機(jī)器人底座、遙操作執(zhí)行末端等位置上。

1.2 定位控制器

采用PC+PMAC架構(gòu)優(yōu)化定位控制器，利用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)理念，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的界面連接各個(gè)模塊，構(gòu)成一個(gè)整體的位置控制器。PMAC是一種能夠?qū)崿F(xiàn) PLC控制的多軸運(yùn)動(dòng)控制元件，能夠完成數(shù)據(jù)采集和處理工作。內(nèi)置DSP芯片具有快速的運(yùn)行能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控設(shè)備如機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制[9-11]。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器具有多種擴(kuò)展接口，可以與傳感器、驅(qū)動(dòng)器等元件進(jìn)行良好的數(shù)據(jù)交換，最多可達(dá)32個(gè)移動(dòng)軸，以滿足目前多自由度機(jī)器人的控制需求。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器具有大量的動(dòng)力學(xué)功能，能夠在開發(fā)過程中直接調(diào)用。控制器內(nèi)裝有相應(yīng)的數(shù)字濾波器，由控制器產(chǎn)生的控制命令可以采用標(biāo)準(zhǔn)編碼或二進(jìn)制格式傳送。該位置控制器直接與機(jī)械手的伺服器相連，以確保由控制器所生成的實(shí)時(shí)控制命令可以直接應(yīng)用于工業(yè)遙控機(jī)器人。

1.3 驅(qū)動(dòng)器

選用電氣驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制。系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器的作用原理電路如圖2所示。

圖2中的驅(qū)動(dòng)器裝有一個(gè)光電編碼器件，它與驅(qū)動(dòng)器的對(duì)應(yīng)接口相連接，系統(tǒng)控制器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一條控制命令，控制器就能獲得該驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)位置，由此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有多種控制方式，并可根據(jù)實(shí)際操作要求設(shè)定位置控制方式。通過控制器的控制命令，可以精確地驅(qū)動(dòng)工業(yè)遙控機(jī)器人，并自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，使其能最大限度地按照命令執(zhí)行。在機(jī)器人的交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置中，需要對(duì)相關(guān)的電氣部件應(yīng)進(jìn)行合理布局。由于這些電子元件彼此間存在著一定的干擾，所以在裝配好了驅(qū)動(dòng)器之后，還要對(duì)噪聲終端的電壓進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)。

1.4 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與聚類處理器

為了給大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)提供硬件支持，在傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，加設(shè)存儲(chǔ)器和處理器。其中大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用的是FIFO存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器采用雙指針的環(huán)狀FIFO結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)SRAM實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀寫操作，二者之間是相互獨(dú)立的[12]。FIFO存儲(chǔ)器在某一特定的時(shí)間周期內(nèi)無法準(zhǔn)確地計(jì)算出可用的內(nèi)存。

處理器選擇 TMS320VC6609A作為核心應(yīng)用芯片，使得處理器可以通過片選信號(hào)的方式，選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。除上述硬件元素外，控制系統(tǒng)硬件中還包含顯示器、外設(shè)接口、通信網(wǎng)絡(luò)等部分，為節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)成本，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的前提下，沿用傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件的部分元件，并將改裝元件與傳統(tǒng)元件以相同的方式接入到供電系統(tǒng)中，保證處于運(yùn)行狀態(tài)的硬件設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)不適配以及互相干擾的情況。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用相關(guān)的系統(tǒng)硬件設(shè)備，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的遙操作原理，確定遙操作過程中機(jī)器人的預(yù)期位姿，對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)位姿進(jìn)行測(cè)量。首先構(gòu)建工業(yè)遙操作機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，求解工業(yè)遙操作機(jī)器人操作規(guī)劃軌跡與姿態(tài)角，實(shí)時(shí)采集工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)計(jì)算具體的控制量，通過機(jī)器人位姿補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制。

2.1 構(gòu)建工業(yè)遙操作機(jī)器人數(shù)學(xué)模型

綜合考慮工業(yè)遙操作機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理以及動(dòng)力特性3個(gè)方面，構(gòu)建機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型。工業(yè)遙操作機(jī)器人由底座、軀干以及遙操作元件3個(gè)部分，通過3個(gè)組成成分的相互解耦執(zhí)行遙操作，因此可以采用DH坐標(biāo)變換法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行分別建模[13]，以遙操作元件部分為例，該組成部分的建模結(jié)果為：

(1)

式中，變量θi和?i分別為遙操作的關(guān)節(jié)角和連桿轉(zhuǎn)角，di為連桿偏距。同理可以得出底座和軀干部分的建模結(jié)果，最終通過3個(gè)部分的整合，得出工業(yè)遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果為：

(2)

另外在動(dòng)力學(xué)理論的支持下，得出工業(yè)遙操作機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果為：

J0(q)+κdamping(q)+ψ(q)+C(q)+G(q)-BM=0

(3)

式中，q為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，J0表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，κdamping和ψ對(duì)應(yīng)的是粘度阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，C和G分別為機(jī)器人離心力和重力勢(shì)能項(xiàng)，B和M對(duì)應(yīng)的是控制矩陣和輸入力矩。將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型融合到工業(yè)遙操作機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)中，完成機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

2.2 模擬機(jī)器人遙操作過程

工業(yè)遙操作機(jī)器人的操作過程大體可以分為兩個(gè)步驟，分別為遙操作軌跡規(guī)劃和操作任務(wù)執(zhí)行[14-16]，具體的操作流程如圖3所示。

按照?qǐng)D3所示，首先對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，假設(shè)機(jī)器人遙操作元件的初始位置和目標(biāo)位置分別為(x0，y0)和(xOperator，yOperator)，則遙操作的初始軌跡生成結(jié)果為：

(4)

公式(4)表示的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡為直線軌跡。利用紅外傳感器設(shè)備，判斷初始規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡上是否存在障礙物，若存在則需要?jiǎng)h除該位置上的軌跡點(diǎn)，并在障礙物周圍重新生成節(jié)點(diǎn)，新生成的軌跡點(diǎn)可以表示為：

(5)

式中，(xprimary，yprimary)為刪除的原始軌跡點(diǎn)。與原始軌跡點(diǎn)進(jìn)行連接，生成新的操作軌跡。最終生成機(jī)器人操作軌跡的總長度可以表示為：

(6)

式中，(xi，yi)和(xi+1，yi+1)分別為連續(xù)兩個(gè)相鄰軌跡點(diǎn)，ntrajectory為生成操作軌跡中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。為了方便工業(yè)機(jī)器人的遙操作，需要對(duì)初始生成軌跡進(jìn)行平滑處理。采用運(yùn)動(dòng)學(xué)反演方法，求出了遙操作軌跡點(diǎn)坐標(biāo)上各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度[17-19]。在實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人遙操作過程中，需要保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)工業(yè)遙操作機(jī)器人操作規(guī)劃軌跡與姿態(tài)角的求解結(jié)果，得出工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位的控制目標(biāo)。

2.3 實(shí)時(shí)采集工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)

利用裝設(shè)在工業(yè)遙操作機(jī)器人上的位姿傳感器設(shè)備，對(duì)機(jī)器人任意時(shí)刻的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，任意時(shí)刻機(jī)器人的實(shí)際位姿采集結(jié)果可以表示為：

(7)

式中，γr為滑移率，υl和υr分別為機(jī)器人底座左右兩側(cè)的移動(dòng)速度，上述變量的計(jì)算公式如下：

(8)

式中，ωl和ωr為機(jī)器人底座兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，l為底座驅(qū)動(dòng)輪的半徑值。將公式(8)的計(jì)算結(jié)果代入到公式(7)中，即可得出任意時(shí)刻機(jī)器人實(shí)際位置(xt，yt)與姿態(tài)角φ的采集結(jié)果。根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際移動(dòng)參數(shù)，計(jì)算機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的采集頻率，計(jì)算公式如下：

(9)

式中，Δt為采樣時(shí)間，Nsteps表示機(jī)器人移動(dòng)產(chǎn)生的步數(shù)。為了保證機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，需要利用公式(10)對(duì)初始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

(10)

式中，U為采集的位姿數(shù)據(jù)集合，max()和min()對(duì)應(yīng)的是最大值與最小值求解函數(shù)。按照上述流程完成位姿數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集工作。

2.4 利用大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)計(jì)算機(jī)器人位姿定位控制量

利用大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)均勻遍歷特征的初值和噪聲進(jìn)行校正[20]，對(duì)實(shí)時(shí)采集的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲得機(jī)器人整體的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)。圖4為大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)的運(yùn)行原理。

圖4 大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)原理圖

利用圖4表示的聚類原理，在初始采集的采集工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇Q個(gè)聚類中心，利用公式(11)對(duì)初始采集數(shù)據(jù)集合中的任意一個(gè)位姿數(shù)據(jù)j進(jìn)行相似度計(jì)算。

(11)

公式(11)的計(jì)算結(jié)果s(j，q)為位姿數(shù)據(jù)與聚類中心的相似度。若計(jì)算得出s(j，q)的值高于閾值s0，則說明數(shù)據(jù)j和q之間存在較大相似度，可以將數(shù)據(jù)j融合到聚類中心q中。若計(jì)算得出的相似度低于閾值，則不執(zhí)行聚類程序，并進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的相似度度量。經(jīng)過上述流程的重復(fù)操作，得出機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的聚類結(jié)果為：

(12)

式中，h(·)為聚類數(shù)據(jù)的篩查條件，ΔtScreening表示的是聚類中心的單位篩查時(shí)間。按照上述流程完成對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)的聚類處理，獲取遙操作機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)聚類結(jié)果，計(jì)算得出任意時(shí)刻機(jī)器人位姿定位控制量為：

(13)

式中，x(t)和y(t)為機(jī)器人在t時(shí)刻實(shí)際位置的水平與垂直方向分量，φ(t)表示t時(shí)刻姿態(tài)角，(xplan(t)，yplan(t))和φplan(t)分別為機(jī)器人位置與姿態(tài)角的規(guī)劃值，最終的計(jì)算結(jié)果即為位置控制量在水平和豎直方向上的分量以及姿態(tài)角控制量。

2.5 實(shí)現(xiàn)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制

在控制器的作用下，通過改變每個(gè)末端和初始點(diǎn)的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作空間的全面覆蓋，同時(shí)保證了遙控器在工作空間上的完整性。控制器根據(jù)傳感器反饋的實(shí)時(shí)位姿檢測(cè)結(jié)果，調(diào)整位姿定位控制指令，并將其作用在工業(yè)遙操作機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)上，啟動(dòng)關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)器裝置，通過控制指令的更新，實(shí)現(xiàn)工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿的實(shí)時(shí)定位控制。為了保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)與控制過程中能夠保持穩(wěn)定，需要利用公式(14)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)度量。

(14)

式中，?b和φk分別為機(jī)器人在多個(gè)空間維度上的加權(quán)系數(shù)和方位角度。最終計(jì)算得出機(jī)器人穩(wěn)定性系數(shù)低于0.6時(shí)，需要對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，因重心不穩(wěn)而產(chǎn)生機(jī)器人側(cè)翻現(xiàn)象。按照上述方式，在保證機(jī)器人移動(dòng)穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的目的主要有以下幾點(diǎn)：首先，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間的差異，為軟件程序的進(jìn)一步修改提供參考，同時(shí)判斷系統(tǒng)完整設(shè)置的選型是否能夠正確連接，將系統(tǒng)測(cè)試放置在真實(shí)工作環(huán)境中進(jìn)行比較，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否能夠在真實(shí)環(huán)境中正常運(yùn)行。在此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，選擇白盒與對(duì)比測(cè)試相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，其中白盒測(cè)試就是在已知預(yù)期結(jié)果的情況下，將系統(tǒng)的實(shí)際輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而得出兩者之間的差距，由此證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。而對(duì)比測(cè)試則是與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在位姿定位控制功能方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 配置工業(yè)遙操作機(jī)器人樣機(jī)與工況

此次實(shí)驗(yàn)選擇T-HR3型號(hào)的工業(yè)遙操作機(jī)器人作為此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的控制對(duì)象，該機(jī)器人由底座、支撐軀干和操作手三部分組成，機(jī)器人的實(shí)際尺寸約為1 200 mm*400 mm和200 mm，機(jī)器人的實(shí)際重量為6.2 kg，機(jī)器人上各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度能夠達(dá)到31以上。操作手的額定長度為650 mm。系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中共準(zhǔn)備三臺(tái)型號(hào)與運(yùn)行方向均完全相同的機(jī)器人樣機(jī)，并利用交互程序設(shè)置相同的初始參數(shù)，準(zhǔn)備的機(jī)器人樣機(jī)中一臺(tái)設(shè)備應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)，并將其設(shè)置為系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)組，另外兩個(gè)機(jī)器人樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。

3.2 布設(shè)并調(diào)試系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

分別從工業(yè)遙操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境和工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)方面，布設(shè)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境。選擇平臺(tái)地面環(huán)境作為機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)環(huán)境，平地環(huán)境中場(chǎng)地表面無明顯凹陷與凸起。在該環(huán)境中安裝一個(gè)水平臺(tái)面，用來放置機(jī)器人的遙操作目標(biāo)，具體包括塑料瓶、紙巾盒等。在此基礎(chǔ)上，將機(jī)器人樣機(jī)放置到真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并在各個(gè)關(guān)節(jié)位置上裝設(shè)驅(qū)動(dòng)器、控制器以及傳感器設(shè)備，完成系統(tǒng)硬件的布設(shè)。利用SimMechanics 、LabVIEW等工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)，并將對(duì)應(yīng)的程序代碼導(dǎo)入到上位機(jī)中。啟動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)開關(guān)，隨機(jī)生成一個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)指令，觀察驅(qū)動(dòng)器、控制器以及傳感器是否能夠成功輸出響應(yīng)信號(hào)，若響應(yīng)信號(hào)成功輸出且與預(yù)期效果一致，則證明系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試成功，否則需要對(duì)硬件設(shè)備重新連接，并重啟軟件運(yùn)行程序。

3.3 生成工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制任務(wù)

為保證工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)在多種遙操作工作中的適應(yīng)度，根據(jù)機(jī)器人的移動(dòng)軌跡類型生成多組定位控制任務(wù)，主要可以分為直線運(yùn)動(dòng)位姿定位控制、曲線運(yùn)動(dòng)位姿定位控制和圓形線運(yùn)動(dòng)位姿定位控制，其中部分定位控制任務(wù)的生成情況如圖5所示。

圖5 工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制任務(wù)示意圖

在機(jī)器人位姿定位控制方法的生成過程中，明確標(biāo)記機(jī)器人在各個(gè)軌跡點(diǎn)上的目標(biāo)姿態(tài)角，以此作為系統(tǒng)的姿態(tài)控制目標(biāo)。此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)共設(shè)置30個(gè)控制任務(wù)，直線、曲線和圓形線運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)數(shù)量均為10個(gè)。

3.4 描述系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程

設(shè)置傳統(tǒng)的基于PLC和機(jī)器視覺的控制系統(tǒng)和基于六維鼠標(biāo)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比系統(tǒng)，按照上述方式完成對(duì)比系統(tǒng)的開發(fā)，并導(dǎo)入到相應(yīng)的機(jī)器人樣機(jī)中。在系統(tǒng)環(huán)境調(diào)試成功的前提下，對(duì)機(jī)器人樣機(jī)的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行初始化，分別將生成的位姿定位控制任務(wù)同時(shí)輸入到3個(gè)樣機(jī)中。對(duì)機(jī)器人的實(shí)際位姿進(jìn)行跟蹤，輸出系統(tǒng)控制功能的運(yùn)行結(jié)果，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)執(zhí)行界面

記錄控制系統(tǒng)作用下機(jī)器人任意時(shí)刻的位姿數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)。按照上述流程，得出3種系統(tǒng)的位姿定位控制結(jié)果。

3.5 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

從機(jī)器人實(shí)際位置和姿態(tài)兩個(gè)方面設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)，用通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出3個(gè)控制系統(tǒng)位置定位控制功能的測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 工業(yè)遙操作機(jī)器人位置控制功能對(duì)比結(jié)果

來反映系統(tǒng)的控制功能。位置控制效果測(cè)試指標(biāo)設(shè)置為位置控制誤差，其數(shù)值結(jié)果如下：

εposition=|xtask-xactual|+|ytask-yactual|

(15)

式中，(xtask，ytask)和(xactual，yactual)分別為遙操作機(jī)器人控制任務(wù)中的位置坐標(biāo)和機(jī)器人的實(shí)際移動(dòng)位置坐標(biāo)。另外姿態(tài)角控制誤差的測(cè)試結(jié)果為：

εattitude=|φtask-φactual|

(16)

公式(16)中，變量φtask和φactual對(duì)應(yīng)的是機(jī)器人姿態(tài)角的目標(biāo)值和實(shí)際值。最終計(jì)算得出位置與姿態(tài)角誤差越小，說明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的機(jī)器人位姿定位控制功能越優(yōu)。

3.6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

從圖7中可以看出，在優(yōu)化設(shè)計(jì)控制方法下工業(yè)遙操作機(jī)器人樣機(jī)的實(shí)際移動(dòng)軌跡與生成的控制目標(biāo)軌跡基本一致，而基于PLC和機(jī)器視覺的控制系統(tǒng)和基于六維鼠標(biāo)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比系統(tǒng)的實(shí)際移動(dòng)軌跡誤差較大。將圖7中的輸入逐一代入到公式(15)中，計(jì)算得出3個(gè)系統(tǒng)位置控制誤差的平均值分別為18.2 mm、12.9 mm和4.5 mm。另外機(jī)器人姿態(tài)控制功能的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 機(jī)器人姿態(tài)控制功能測(cè)試數(shù)據(jù)表

表1中的所有數(shù)據(jù)均在控制系統(tǒng)執(zhí)行10 s后讀取得出。將表1中的數(shù)據(jù)代入到式(16)中，計(jì)算得出3個(gè)控制方法下的實(shí)際姿態(tài)控制誤差分別為0.27°、0.15°和0.04°。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人實(shí)際位置與姿態(tài)角的控制精度更好。

4 結(jié)束語

為提升工業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制精度，設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)的業(yè)遙操作機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)。通過硬件設(shè)備與軟件程序的聯(lián)合優(yōu)化，完成機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的優(yōu)化操作。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，通過大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制性能，為保證工業(yè)遙操作機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行提供了一定技術(shù)支持。