霍延軍，崔 巍

(1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人事處，陜西 延安 716000；2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人常常遇到起動或停止時手抖動、機(jī)器人末端執(zhí)行器不能移動到指定位置等問題。這種問題的出現(xiàn)，大大提高了機(jī)器人機(jī)構(gòu)損壞概率[1]。這就要求機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)動過程中必須遵循盡可能平穩(wěn)的原則，避免位置突然轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致速度和加速度的改變[2]。若移動不穩(wěn)定，則會增加機(jī)械零件磨損，振動和沖擊機(jī)器人系統(tǒng)。為保證機(jī)器人能夠到達(dá)指定位置，需提高整個機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，需先設(shè)計出運(yùn)行軌跡，再借助仿真技術(shù)進(jìn)行仿真分析以避免不良現(xiàn)象發(fā)生[3]。軌跡規(guī)劃優(yōu)劣，直接影響機(jī)器人操作效率。

以往采用拋物過渡法來控制該系統(tǒng)，在節(jié)點(diǎn)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，計算簡單[4]。但由于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃路徑不唯一，關(guān)節(jié)角度函數(shù)不具代表性，且運(yùn)動軌跡易漏檢；而空間路徑規(guī)劃方法嚴(yán)格要求運(yùn)動路徑和姿態(tài)瞬時變化規(guī)律為動作路徑和姿態(tài)，必須在直角空間執(zhí)行軌跡規(guī)劃，用關(guān)節(jié)角函數(shù)來描述機(jī)器人運(yùn)動軌跡，即機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡由關(guān)節(jié)變量直接確定[5]。但是，直角空間路徑規(guī)劃需要大量計算，導(dǎo)致控制范圍過大。根據(jù)傳統(tǒng)方法存在的問題，設(shè)計了基于強(qiáng)跟蹤濾波的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制系統(tǒng)。將強(qiáng)跟蹤濾波方法應(yīng)用于軌跡控制中，實驗結(jié)果說明該系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

提出的基于強(qiáng)跟蹤濾波的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，應(yīng)用在機(jī)器人軌跡控制系統(tǒng)中，并在圖1中得到具體描述。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖1可知，該系統(tǒng)通過軟硬件的協(xié)同工作，實現(xiàn)了伺服控制。使用軌跡規(guī)劃器，將輸出規(guī)劃位置輸入軸資源AXIS之中；資源軸是指控制并輸出驅(qū)動報警和停止信號軟、硬件組合[6]?？刂泼}沖經(jīng)等效變換后送至電機(jī)控制器，再通過比較規(guī)劃位置和實際接收脈沖信號，獲取誤差，及時調(diào)整，最終獲得機(jī)器人軌跡[7]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過拉伸直流伺服電機(jī)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，DC電機(jī)線性調(diào)速特性好，過載能力強(qiáng)[8]。采用三菱 IPM電機(jī)驅(qū)動，通過強(qiáng)大跟蹤濾波控制整個系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)指令和感知信息控制機(jī)器人，可完成某一特定動作或任務(wù)的軌跡控制[9]。該系統(tǒng)采用多CPU結(jié)構(gòu)及分布式控制方式，分為上下位機(jī)控制系統(tǒng)兩個層次[10]。上位機(jī)負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)，下位機(jī)由許多單片機(jī)組成，單片機(jī)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)動作，上下位機(jī)的CPU通過并行總線相連[11]。

2.1 PCI-485接口卡

上下位機(jī)與外部設(shè)備連接的總線就是PCI總線，具有即插即用優(yōu)勢，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、高效傳輸。在各種與計算機(jī)連接的設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[12]。考慮到 PCI總線協(xié)議復(fù)雜性，設(shè)計利用 PLX專用PCI9052接口控制 PCI總線，以實現(xiàn) PCI上、下位機(jī)的通訊。整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MAX485卡插入計算機(jī)的 PCI插槽，主要包括專用 PCI芯片 EXRXR17D158，該芯片由整流控制器93LC46提供額外存儲空間，并被連接到DART通道，SP485微分信號直接與DSPMAX485芯片控制卡連接，通過LF2407模塊的DSP控制芯片串行通信，實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸[13]。

2.2 上下位機(jī)

上位機(jī)為普通臺式計算機(jī)，安裝了 Windows XP操作系統(tǒng)，主要分析機(jī)器人運(yùn)動軌跡。其作用是向下位機(jī)發(fā)送各種任務(wù)中斷信息，刺激下位機(jī)調(diào)用相應(yīng)程序來完成操作任務(wù)[14]。

采用專用PCI-485板完成上下位機(jī)通訊，并將RS-485模塊差分信號接入下位機(jī)之中，實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)采用TMS320LF2407A型號 DSP芯片，主要完成脈沖信號的輸出、位置反饋信號的采集與處理。將輸出脈沖調(diào)制 PWM連接到電機(jī)驅(qū)動端，要求增加光電隔離，其功能是隔離強(qiáng)弱電，驅(qū)動裝置和馬達(dá)連接。馬達(dá)輸出的扭矩由傳動裝置帶動各個關(guān)節(jié)運(yùn)動。

2.3 DSP控制器

DSP控制器實現(xiàn)了程序空間與數(shù)據(jù)空間的完全分離，并可同時獲得指令和操作數(shù)，實現(xiàn)不同程序空間之間數(shù)據(jù)傳輸。TMS32OF240XDS具有獨(dú)立的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序總線結(jié)構(gòu)的 CPU內(nèi)核[15]。

程序總線分為6個16位總線，即：程序地址總線，它提供讀寫程序空間的地址；數(shù)據(jù)讀地址總線，提供數(shù)據(jù)空間讀地址；數(shù)據(jù)寫地址總線，提供寫數(shù)據(jù)空間地址；程序讀總線是從程序空間向 CPU傳輸代碼、直接操作信息；數(shù)據(jù)讀總線是從數(shù)據(jù)空間向中央邏輯單元傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)寫總線是從程序空間和數(shù)據(jù)空間傳輸數(shù)據(jù)。兩者都是獨(dú)立的地址總線，CPU能夠在同一機(jī)器運(yùn)行周期中同時讀寫數(shù)據(jù)。

TMS320f240xds流水線有4個不同階段：指令獲取、指令解碼、操作數(shù)獲取和指令執(zhí)行。提取指令占用 PAB和 PRDB；解碼指令不占用數(shù)據(jù)總線；獲得操作數(shù)時會占用 DRAB和 DRDB；指令執(zhí)行時會將執(zhí)行結(jié)果寫回數(shù)據(jù)內(nèi)存，使指令運(yùn)行速度大大提高。

2.4 光電隔離驅(qū)動器

選擇CAN-TTLG型號單片機(jī)光隔離超遠(yuǎn)程驅(qū)動器，具有光速發(fā)射，光速接收和信號放大優(yōu)勢。由輸入電信號驅(qū)動 LED 發(fā)射出一定波長的光，然后由光電檢測器接收，產(chǎn)生光電流，然后放大輸出。因為光電隔離的輸入與輸出是相互隔離的，所以電信號傳輸是單向性的，所以電絕緣性能好，抗干擾能力強(qiáng)。光電隔離驅(qū)動器輸入端為低阻抗元件，工作于電流模式，所以共模抑制能力強(qiáng)。因此，將其作為終端隔離驅(qū)動器能夠提高信噪比。

TXD、RXD通訊口要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，通常采用RS422接口，以此收發(fā)控制信號。選擇CA-TTLG光電隔離超遠(yuǎn)程驅(qū)動器，無需收發(fā)控制信號，可延伸單片機(jī)通訊距離，最長可達(dá)到10 km，便于單片機(jī)組網(wǎng)。單片機(jī)的 TXD和 RXD信號由 TTL級驅(qū)動電路驅(qū)動，而信號自接收抑制電路則保證了設(shè)備不會接收到自己發(fā)出的信號，CA總線通過光電隔離輸出 CA信號。采用隔離電源模塊，實現(xiàn)信號與電氣的隔離，確保系統(tǒng)抗干擾性能。

2.5 直流電機(jī)

選用100 W綜合交流AGV低壓直流電動機(jī)，轉(zhuǎn)換直流功率為機(jī)械能，或選用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)械能。該電動機(jī)可以實現(xiàn)直流電與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

電源接口具有3個端子號，分別是PE/VCC/GD，其對應(yīng)的端子定義為接地端子、電源正、電源負(fù)。對于PE端子號連接機(jī)柜大地，線纜截面積保持0.75 mm2以上；VCC/GD端子號主電源輸入端，電壓為直流30.5～38.5 V，這兩個端子嚴(yán)格按照電源正負(fù)連接，嚴(yán)禁反接。

電機(jī)接口具有8個端子號，分別是DIR+、DIR-、PUL+、PUL-、ENA+、ENA-、ALM+、ALM-，其對應(yīng)的端子定義為方向輸入正、方向輸入負(fù)、脈沖輸入正、脈沖輸入負(fù)、使能輸入正、使能輸入負(fù)、報警輸出正、報警輸出負(fù)。對于DIR+、DIR-端子號光耦隔離輸入，最大輸入電壓為6 V，在輸入同時應(yīng)串聯(lián)2.4 K電阻限流，并在脈沖信號停止至少5 μs之后再切換方向信號；對于PUL+、PUL-端子號最大輸入頻率為200 kHz，在信號切換完成5 μs之后，再輸出脈沖信號；對于ENA+、ENA-端子號最大輸入頻率為1 kHz，當(dāng)配置為高有效時，該端口無輸入使能；當(dāng)配置為低有效時，該端口有輸入使能。在使能信號有效至少10 ms后，再輸入脈沖指令；對于ALM+、ALM-端子號最大耐壓為30 V，最大帶負(fù)載能力為30 mA，設(shè)置為有報警輸出和無報警輸出。

3 系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)

以VC++為面向?qū)ο蟮纳蠈酉到y(tǒng)開發(fā)工具，完成控制界面程序基于MFC的API功能設(shè)計，結(jié)合MallControl卡，以及操作者與信息交互之間的關(guān)系，可促使系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。該系統(tǒng)集成了機(jī)械手運(yùn)動控制，實現(xiàn)了對機(jī)器人運(yùn)動動作的控制。

主機(jī)程序通過VC提供的MS通信控制，從端口以事件驅(qū)動方式獲取數(shù)據(jù)。如果緩沖區(qū)收到字符，則會觸發(fā)通訊任務(wù)。根據(jù)光電隔離驅(qū)動器的串行通信協(xié)議，通過串行通信控制接口，實現(xiàn)了事件響應(yīng)功能。

如果參數(shù) Rthreshold為0，緩沖區(qū)將收到字符，已分配給程序，沒有產(chǎn)生通訊任務(wù)。如果參數(shù) Rthreshold為1，緩沖區(qū)中將收到字符，每一個字符都會觸發(fā)一項通訊任務(wù)。

系統(tǒng)軟件包括主界面軟件和連續(xù) PT運(yùn)動控制軟件，主要接口接收目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動和各軸狀態(tài)檢測。依據(jù)檢測結(jié)果確定各關(guān)節(jié)的絕對位置，判斷是否超出各關(guān)節(jié)的活動范圍，并在主界面上實時顯示實際位置和計劃位置，便于用戶及時作出決定。通過強(qiáng)跟蹤濾波方法，對機(jī)器人運(yùn)動控制進(jìn)行重力補(bǔ)償，保證各個關(guān)節(jié)之間非線性。

設(shè)機(jī)器人運(yùn)動方程為：

(1)

e=sd-s

(2)

基于對話框的機(jī)器人軌跡規(guī)劃軟件，采用 Visual c++6.0的 MFC核心編寫。計算機(jī)與機(jī)器人之間的通信可通過菜單命令和功能按鈕完成，調(diào)用參數(shù)設(shè)置窗口，退出機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括控制機(jī)器人姿態(tài)、讀數(shù)等。基于強(qiáng)跟蹤濾波方法在機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制步驟如圖5所示。

圖5 機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制步驟

因為系統(tǒng)是非線性的，狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣不確定，所以要實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就要將強(qiáng)跟蹤濾波應(yīng)用其中，通過引入弱化因子，在線調(diào)整濾波增益，最大程度提取有效信息，根據(jù)提前預(yù)測軌跡，設(shè)計具體運(yùn)行軌跡，由此完成系統(tǒng)軟件部分設(shè)計。

4 實驗分析

為驗證基于強(qiáng)跟蹤濾波的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計仿真實驗。采用MATLAB仿真軟件作為實驗平臺，根據(jù)機(jī)器人的實際尺寸進(jìn)行三維仿真，因為下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信也是通過 VC進(jìn)行的，所以通過 VC實現(xiàn)三維仿真，在 VC接口上直接進(jìn)行實時驗證，有利于整個系統(tǒng)調(diào)試。利用 VC++6.0開發(fā)平臺，在 MFC的基礎(chǔ)上，引入 OpenGL動態(tài)鏈接庫，對系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行驗證。

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

在表1所示的實驗參數(shù)下，以機(jī)器人抓取物品的過程為例，選取抓取物品曲線起始點(diǎn)、終止點(diǎn)和兩點(diǎn)之間結(jié)點(diǎn)，共5個地址變量，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人抓取物品曲線連接示意圖

由圖6可知：該機(jī)器人抓取物品的運(yùn)動軌跡具有不規(guī)則性，因此針對這5個節(jié)點(diǎn)，分別采用拋物過渡法、空間路徑規(guī)劃方法設(shè)計的系統(tǒng)和基于強(qiáng)跟蹤濾波控制系統(tǒng)對運(yùn)動軌跡進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種系統(tǒng)運(yùn)動軌跡對比結(jié)果

由圖7可知：使用拋物過渡系統(tǒng)5個節(jié)點(diǎn)均不在實際機(jī)器人運(yùn)動所在位置，誤差較大；使用空間路徑規(guī)劃系統(tǒng)5個節(jié)點(diǎn)中有2個節(jié)點(diǎn)在實際機(jī)器人運(yùn)動所在位置，其余3個與實際位置有所偏差；基于強(qiáng)跟蹤濾波控制系統(tǒng)5個節(jié)點(diǎn)均在實際機(jī)器人運(yùn)動所在位置，無偏差。

在此基礎(chǔ)上測試采用不同控制系統(tǒng)機(jī)器人多次抓取物品的軌跡控制時間，得到軌跡控制耗時對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種系統(tǒng)運(yùn)動軌跡對比結(jié)果

通過圖8可以看出，在10次抓取實驗過程中，采用拋物過渡系統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制耗時平均為12.1s，采用空間路徑規(guī)劃系統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制耗時平均為7.5s，而采用所提基于強(qiáng)跟蹤濾波的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制系統(tǒng)的2.3。由此可見，所提方法能夠快速對機(jī)器人運(yùn)動信息做出采集，并及時規(guī)劃最短運(yùn)動軌跡，有效提升機(jī)器人的工作效率。

5 結(jié)束語

為了解決現(xiàn)有機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制系統(tǒng)的不足，提出了一種基于強(qiáng)跟蹤濾波的機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并將該方案應(yīng)用到機(jī)器人時間優(yōu)化軌跡規(guī)劃中，極大地提高了工作效率。針對機(jī)器人的實際工況，在強(qiáng)跟蹤濾波技術(shù)支持下，給出了機(jī)器人運(yùn)動軌跡，并用 Matlab在實驗條件下進(jìn)行了仿真分析，以驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性。由驗證結(jié)果可知，該系統(tǒng)實現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動軌跡的精準(zhǔn)控制。

受到實驗條件限制，系統(tǒng)設(shè)計仍存在不足之處，仍需后續(xù)繼續(xù)完善。

1)所設(shè)計的軌跡控制系統(tǒng)僅僅是基于機(jī)器人最優(yōu)時間進(jìn)行軌跡優(yōu)化的，對能量優(yōu)化或時間-能量優(yōu)化軌跡設(shè)計的進(jìn)一步研究將是今后工作方向。

2)根據(jù)實驗情況，可以考慮在該機(jī)器人機(jī)械臂的末端安裝一個觸覺傳感器，以抓住較硬物體。對機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)而言，應(yīng)采用何種姿態(tài)對不同形狀物體進(jìn)行抓取，還有進(jìn)一步考慮。

3)在實驗研究基礎(chǔ)上，該視覺反饋裝置還可加入實現(xiàn)三維圖像處理的爪子位置操縱器，并進(jìn)一步研究基于機(jī)器人軌跡最佳控制方案。