基于多傳感器集成的機(jī)器人整機(jī)自動(dòng)控制方法研究

馮英龍

摘要：近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)科技水平的提升。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、傳感控制技術(shù)的高速發(fā)展，為機(jī)器人研發(fā)提供了諸多有利的技術(shù)支持。我國(guó)對(duì)高尖端機(jī)器人（人形機(jī)器人）研發(fā)力度不斷增大，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)仿人工生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)作，需要多個(gè)傳感器共同對(duì)不同的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與下達(dá)。其中，需要傳感器的種類(lèi)包括：通信傳感器、重力傳感器、紅外傳感器、距離傳感器、壓力傳感器、語(yǔ)音傳感器與圖像傳感器等。本文就基于多傳感器集成的機(jī)器人整機(jī)自動(dòng)控制方法展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;自動(dòng)控制;多傳感器

引言

近些年，隨著機(jī)器人和人工智能的快速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。如未知環(huán)境探測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、物流、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種非完整系統(tǒng)，其控制問(wèn)題一直是個(gè)難題，而其中的軌跡跟蹤控制更是移動(dòng)機(jī)器人控制中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1機(jī)器人精確裝配的方法概述

在工件裝配過(guò)程中，輸送線(xiàn)系統(tǒng)誤差、機(jī)械加工誤差等，使得配合基準(zhǔn)存在偏差。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于位移傳感器自動(dòng)示教。依據(jù)工件2的位姿，重新調(diào)整工件1的裝配位姿。采用力傳感器引導(dǎo)方法。力傳感器方法能夠在工件1插入工件2過(guò)程中，依據(jù)兩零件之間的接觸力，對(duì)工件1的位姿再次進(jìn)行精調(diào)整。

2多傳感器分布與力學(xué)控制的關(guān)系

完成對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型的分解計(jì)算后，多傳感器集成的機(jī)器人中每個(gè)獨(dú)立區(qū)域的傳感器所受力值數(shù)據(jù)可通過(guò)公式計(jì)算獲得，但需要準(zhǔn)確完成對(duì)傳感器同步誤差量的修正，還需要將所獲得的數(shù)值參量對(duì)應(yīng)綁定到每個(gè)傳感器上，機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)分布位置可根據(jù)功能區(qū)域的不同分為：右臂功能傳感器運(yùn)動(dòng)力學(xué)區(qū)、左臂功能傳感器運(yùn)動(dòng)力學(xué)區(qū)、頭身軀干功能傳感器運(yùn)動(dòng)力學(xué)區(qū)、右腿功能傳感器運(yùn)動(dòng)力學(xué)區(qū)、左腿功能傳感器運(yùn)動(dòng)力學(xué)區(qū)。通過(guò)對(duì)力學(xué)模型的分析發(fā)現(xiàn)，傳感器的受力方向隸屬于一個(gè)三維坐標(biāo)空間，將傳感器的受力系數(shù)按照三維坐標(biāo)的受力方向進(jìn)行綁定，在三維受力的維度上系數(shù)為定值，從而快速找出存在誤差量的傳感器，對(duì)其修正。

3基于多傳感器集成的機(jī)器人整機(jī)自動(dòng)控制方法

3.1標(biāo)定負(fù)載

在應(yīng)用過(guò)程中，力傳感器標(biāo)定對(duì)裝配的成功有重要的影響，力傳感器上安裝的負(fù)載（比如夾爪，位移傳感等）將會(huì)影響傳感器的準(zhǔn)確性。因此首先要對(duì)力控系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定內(nèi)容包括夾爪的質(zhì)量、重心以及工件質(zhì)量和重心。力傳感器負(fù)載的標(biāo)定可以在軟件中，通過(guò)調(diào)用函數(shù)FCLoadID進(jìn)行。當(dāng)后續(xù)每次裝配時(shí)，通過(guò)FCCalib函數(shù)加載力傳感器的負(fù)載情況，系統(tǒng)從而對(duì)力傳感器因工具、工件的重量引起的受力情況進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2傳感器分布位置與規(guī)格誤差量的修正

完成對(duì)多傳感器集成的機(jī)器人整機(jī)傳感器力學(xué)關(guān)系綁定后，每個(gè)傳感器受力系數(shù)已為定值，在維度關(guān)系不發(fā)生改變的前提下可不考慮定值系數(shù)對(duì)控制信號(hào)的影響，可單純將機(jī)器人整機(jī)控制響應(yīng)同步問(wèn)題歸結(jié)到傳感器分布與傳感器自身參數(shù)不足上，（1）傳感器分布導(dǎo)致的同步問(wèn)題修正通過(guò)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)模型分析與傳感器分布位置的研究發(fā)現(xiàn)，左臂肘關(guān)節(jié)、右臂肘關(guān)節(jié)、左腿膝關(guān)節(jié)、右腿膝關(guān)節(jié)4個(gè)位置的傳感器，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所受到的力值均大于其他分布位置的傳感器，受到阻力與應(yīng)力的共同作用，傳感器供電會(huì)發(fā)生阻值的變動(dòng)，變動(dòng)阻值提升擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，導(dǎo)致傳感器信號(hào)響應(yīng)的瞬態(tài)遲滯，出現(xiàn)同步異常。根據(jù)上文傳感器劃分區(qū)域，將左臂肘關(guān)節(jié)、右臂肘關(guān)節(jié)、左腿膝關(guān)節(jié)、右腿膝關(guān)節(jié)4個(gè)位置的傳感器信號(hào)發(fā)送時(shí)間的控制參量進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整，通過(guò)對(duì)信號(hào)的發(fā)送與反饋時(shí)間參量的校對(duì)，達(dá)到信號(hào)同步的效果。（2）傳感器自身規(guī)格不足導(dǎo)致的同步誤差修正在一些特殊的情況下，會(huì)出現(xiàn)無(wú)論怎樣修改校正傳感器間的同步時(shí)間數(shù)據(jù)，機(jī)器人仍會(huì)不定時(shí)出現(xiàn)同步異常的問(wèn)題。此狀態(tài)下，就可以考慮傳感器的控制接收硬件的規(guī)格參數(shù)是否達(dá)到校對(duì)參量數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)硬件規(guī)格參量不足導(dǎo)致的同步問(wèn)題，最直接有效的方法就是硬件的替換修正。

3.3 RF2O方法及激光雷達(dá)

RF2O方法是一種快速精確的方法，仿照密集的3D視覺(jué)測(cè)距法的方式，對(duì)激光雷達(dá)從二維平面掃描的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)制定基于傳感器速度范圍流約束方程，對(duì)所得幾何約束的魯棒函數(shù)最小化，獲得運(yùn)動(dòng)估計(jì)。RF2O方法運(yùn)算量低于視覺(jué)方法，轉(zhuǎn)換評(píng)估較為準(zhǔn)確。但是由于激光雷達(dá)自身的旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不準(zhǔn)確，通過(guò)RF2O和IMU的傳感器數(shù)據(jù)融合解決這一問(wèn)題。激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)。使用激光雷達(dá)為鐳神LS01G型二維激光雷達(dá)，能在一個(gè)二維平面上進(jìn)行掃描，并將掃描到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4主從式軌跡跟蹤的模糊PI控制器設(shè)計(jì)

本文所考慮的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤是指從機(jī)器人以恒定的橫向和縱向距離跟隨主機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)航機(jī)器人為主機(jī)，跟隨機(jī)器人稱(chēng)為從機(jī)。主機(jī)實(shí)時(shí)把自身的位姿信息發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)拿到主機(jī)數(shù)據(jù)后與自身位置作比較，建立如下的跟蹤誤差模型，為了讓機(jī)器人能夠穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)和精準(zhǔn)的控制，首先設(shè)計(jì)了PI控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟蹤控制。但是，一旦路面改變或者機(jī)器人的移動(dòng)路面不夠理想，必須根據(jù)路面情況重新調(diào)整KP和KI參數(shù)。否則，機(jī)器人并不能很穩(wěn)定的移動(dòng)，并且有較大的累計(jì)誤差。為此，為了改善機(jī)器人的控制效果，在傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，采用模糊PI控制器來(lái)改善非理想運(yùn)動(dòng)環(huán)境的跟蹤控制問(wèn)題。相比模糊PID控制，本系統(tǒng)對(duì)于反應(yīng)速度要求不高，而對(duì)于精度具有一定的要求。

3.5多傳感器控制信號(hào)同步識(shí)別計(jì)算

完成傳感器的軟硬件參數(shù)的修正后，需要對(duì)機(jī)器人整機(jī)的控制算法進(jìn)行修正。解決多傳感器信號(hào)間的識(shí)別融合，是提升多傳感器集成的機(jī)器人控制信號(hào)同步的關(guān)鍵。

結(jié)語(yǔ)

基于位移傳感器、力傳感器協(xié)同工作，設(shè)計(jì)了機(jī)器人對(duì)軸工件位姿調(diào)整的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在供料系統(tǒng)誤差較大，工件位姿不確實(shí)的情況下，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)仍然能夠順利完成裝配任務(wù)。位移傳感器能夠通過(guò)非接觸式測(cè)量，對(duì)機(jī)器人的裝配位姿進(jìn)行粗調(diào)，降低了對(duì)工況條件的要求。同時(shí)，建立的裝配系統(tǒng)能夠很大程度的降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)潔有效的提高裝配效率。

參考文獻(xiàn)

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西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安?710100