機(jī)械臂末端接觸力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志剛

摘要：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端接觸力控制系統(tǒng)的高精度和準(zhǔn)確性控制，我們提出了一種基于力矩分量算法的接觸力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)接觸力控制系統(tǒng)的工藝流程操作要求，進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì);通過對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程和彈性執(zhí)行自動(dòng)化過程的分析，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。通過MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;接觸力控制;硬件設(shè)計(jì);仿真模擬

中圖分類號(hào)：TP271+.2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0279-02

機(jī)械臂作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和工業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展備受關(guān)注[1]。機(jī)械臂設(shè)計(jì)關(guān)鍵是末端接觸力控制系統(tǒng)的精確運(yùn)行和流暢操作。機(jī)械臂末端接觸力學(xué)狀態(tài)與工作息息相關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端接觸力的精準(zhǔn)控制是研究重點(diǎn)。為此本文從硬件和軟件方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，證明本文設(shè)計(jì)的性能。

1 接觸力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)控制器

控制器是接觸力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指令輸出和信號(hào)輸入的處理裝置。包括彈性執(zhí)行器、PD模塊、實(shí)際電機(jī)位置讀取模塊、信息監(jiān)測(cè)模塊和計(jì)算模塊[2]。

根據(jù)工藝要求，控制器在設(shè)計(jì)上應(yīng)采用閉路力學(xué)控制方法，實(shí)現(xiàn)接觸力的精確控制。閉路力學(xué)控制裝置是由PD功能模塊和電機(jī)位置讀取模塊構(gòu)成的[3]。利用實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)機(jī)械臂位移或復(fù)位運(yùn)動(dòng)電壓，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算模塊計(jì)算后轉(zhuǎn)化為實(shí)際接觸力參數(shù)，進(jìn)行期望值對(duì)比后輸出信號(hào)到PD功能模塊。經(jīng)過實(shí)際電機(jī)位置讀取模塊的位置增量計(jì)算，將實(shí)際位置信號(hào)輸出給機(jī)械臂末端，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端接觸力有效控制。

1.2 控制系統(tǒng)顯示面板

顯示面板是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂操作的控制臺(tái)，通過手動(dòng)輸入信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

編程界面通過分析程序指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多流程、多線束可編程控制、指令開發(fā)與解析、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等功能[4]。

機(jī)械臂力學(xué)控制裝置界面包括力學(xué)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示、單軸點(diǎn)動(dòng)控制按鍵、界面跳轉(zhuǎn)功能鍵、手動(dòng)力學(xué)控制以及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度等功能。在力學(xué)控制界面，能夠設(shè)置預(yù)測(cè)力學(xué)控制狀態(tài)并顯示實(shí)際力學(xué)狀態(tài)。配備的手動(dòng)力學(xué)控制裝置可以結(jié)合單軸點(diǎn)動(dòng)控制裝置，在特定狀態(tài)下（靜止、復(fù)位、運(yùn)動(dòng)驟停）的力學(xué)性能檢測(cè)和調(diào)試。

1.3 控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系設(shè)計(jì)包括機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的基本功能[5]。

針對(duì)機(jī)械臂末端接觸力編程問題和實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的位置轉(zhuǎn)換，需通過運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系進(jìn)行機(jī)械臂位置標(biāo)定以及確定接觸力大小[6]?；谌c(diǎn)示教法坐標(biāo)系位置確定裝置工作原理，記為A（Ox，Oy，Oz）;通過水平左移機(jī)械臂一定的距離，記為第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)B（X1，X2，X3）;將機(jī)械臂進(jìn)行向上移動(dòng)，標(biāo)記第三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)C（X1，X2，X3）。

以三點(diǎn)坐標(biāo)作為基準(zhǔn)向量建立坐標(biāo)系，其中X軸方向的坐標(biāo)可以用矢量表示為：

將三軸的矢量表示法進(jìn)行歸一化處理后，就可以得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。根據(jù)實(shí)際機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)位置，就可以確定相應(yīng)的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)接觸力計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)多線束多流程的可編程控制。

2 接觸力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 接觸力分析軟件

機(jī)械臂執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)，存在機(jī)械臂末端與不同任務(wù)環(huán)境接觸的階段，該階段接觸力分析是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵。實(shí)際機(jī)械臂末端裝有多維力傳感器可對(duì)環(huán)境接觸力進(jìn)行檢測(cè)。力學(xué)傳感器采集到的數(shù)據(jù)由接觸力分析軟件分析。接觸力分析軟件能夠根據(jù)傳感器上傳的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂位置調(diào)整。機(jī)械臂在操作過程中接觸力的作用時(shí)間較長(zhǎng)，接觸過程可作為靜態(tài)接觸過程來分析，可縮短接觸力分析時(shí)間，提高軟件運(yùn)算速率。

2.2 接觸建模軟件

剛體碰撞是瞬態(tài)過程，機(jī)械臂末端接觸為持續(xù)一段時(shí)間的柔順過程。因此在機(jī)械臂接觸力建模過程中，建模軟件應(yīng)根據(jù)時(shí)間對(duì)柔性模型做法向力和切向力的關(guān)系描述，模型的參數(shù)與機(jī)械臂的幾何屬性及環(huán)境的楊氏模量相關(guān)。基于此法的接觸力建模軟件與實(shí)際機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)情況相吻合的。

軟件建模過程為：假設(shè)接觸過程包含剛體B，忽略質(zhì)量接觸面S，在接觸面和剛體末端有彈簧和阻尼器，用來控制接觸力。發(fā)生接觸時(shí)，彈簧的彈性剛度為K，接觸面上產(chǎn)生大小相同的反作用力-K。阻尼器產(chǎn)生的阻尼系數(shù)為D，根據(jù)碰撞時(shí)剛體B的速度會(huì)在阻尼器上產(chǎn)生大小相等、方向相反的外力-D在接觸面上。由力平衡關(guān)系分析可知，在忽略質(zhì)量的接觸面上的合外力受力平衡關(guān)系必須為零，整個(gè)系統(tǒng)的平衡關(guān)系式為：

計(jì)算接觸力時(shí)需注意：未接觸時(shí)接觸力為零;當(dāng)接觸力持續(xù)進(jìn)行時(shí)，將一直保持力平衡狀態(tài)，此時(shí)的剛體運(yùn)動(dòng)速度與接觸面的瞬間接觸速度保持相等，接觸力的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

表達(dá)式中接觸力為零或取正值時(shí)，屬于正常柔性接觸狀態(tài);接觸力取負(fù)值時(shí)，表示剛體的運(yùn)動(dòng)速度較接觸面運(yùn)動(dòng)速度大，說明接觸力正在消失。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)接觸力控制系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行有效性和穩(wěn)定性，我們通過MATLAB軟件對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

在笛卡爾坐標(biāo)系中進(jìn)行機(jī)械臂直線運(yùn)動(dòng)的位移和速度變化的曲線分析。如圖1所示。

圖中分別為XY方向和三維整體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分布和運(yùn)動(dòng)軌跡視圖。通過分析得到模擬圖及結(jié)論：在直線運(yùn)動(dòng)過程中，接觸力響應(yīng)發(fā)生在5.9s接觸后，并在之后的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)7.9s左右接觸力達(dá)到最大值;在8.9s后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，XY方向的位移量不再變化，故XY方向力矩為零，Z方向無位移。通過以上仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)合實(shí)際機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)接觸過程中接觸力和位移的變化情況，說明了本文設(shè)計(jì)的有效穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)機(jī)械臂末端接觸力變化情況進(jìn)行的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚯逦乇憩F(xiàn)整個(gè)接觸過程中力的變化和動(dòng)態(tài)特征，末端接觸力計(jì)算準(zhǔn)確有效。希望本文對(duì)于機(jī)械臂末端接觸力控制系統(tǒng)的研究，及后續(xù)的機(jī)械臂力學(xué)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖南峰， 巢婭， 陳星辰. 仿人機(jī)械手的觸覺傳感器和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 32（1）：148-157.

[2] 楊儒驍， 李雨婷. 基于MATLAB和Arduino的小型機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2018，31（5）：83-85.

【通聯(lián)編輯：張薇】