機器人手臂自動控制的優化設計與仿真

買楚源

摘 要 機器人手臂自動控制中，若控制速度較快或命令過于頻繁，其手臂轉動慣量會有所加大，嚴重干擾控制過程，以往所采用的手臂控制方式，以降低要求和性能解決以上問題，但應用弊端仍然較大。設計新型機器人手臂控制方式，首先需分析操作空間末端效應器啟發式信息，建立初始模型，按照其手臂抓取運動規劃，修改其初始前向變量，再給出總動量方程式，優化動量維度，實施動量控制，建立分解動量控制矩證，進而實現控制。

關鍵詞 機器人；手臂控制；優化

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）229-0171-02

目前我國科技水平不斷提高，創新能力提升速度較快，其微型機器人在不同行業領域得到了廣泛應用，并有助于人們生產生活水平的上升，研究機器人相關優化設計，并對其仿真能力進行提高具有積極意義。目前機器人控制系統具有高階、非線性、多自由度等特點，其系統有較大的不穩定性，而機器人手臂自動控制系統對整體功能有重大影？響[ 1 ]。對手臂系統進行設計并提高其精確性需要及時解決。該問題在領域內受到了廣泛關注，業內人士同樣提出了許多有效的解決方法。

有研究表明[2]，使用寬帶零中解調能夠實現機器人手臂自動控制，提高系統能力。此方法具有便利性，設計方案復雜度低，但出現了設計誤差較大的問題。有相關人員提出[3]，將自動控制設計方法在PID控制基礎上。設計中通過PID對機器人手臂控制回路進行控制，對于其中產生不良影響的因素通過高頻放大方式干擾，其設計方式具有可行性，其自動控制設計方案較為理想。方案有實現時間短的優點，但方案中對手臂自動控制忽略了對抓取動作的規劃，造成手臂抓取動作不能夠實現物體的精確抓取，同時運動控制精度不高、精度誤差問題較為嚴重。有研究從PID控制設計上進行優化[4-5]，主要利用拉格朗日平衡法，對機械臂瞬時傳遞函數進行設定，隨后將手臂關節中瞬時PID控制各參數整定。本文提出的優化方法同樣實現了對機器人手臂自動控制的目的，解決了精確度誤差，但有計算流程繁瑣，浪費時間問題。

本研究研究據機器人末端效應器位姿狀態設定初始位形，后對手臂控制初始模型進行設計，隨后著重抓取運動規劃，與手臂促使前向變量進行分析，將分解動量控制方法應用于方案中，建立起機器人手臂分解動量控制矩陣，方案注重時間與精度的協調，使用ARM系統硬件進行方案的設計。

1 機器人手臂自動控制設計原理

機器人整個控制系統中含有手臂控制器結構，其中含有直流減速電機、螺桿、角度傳感、減速齒輪等多個零件。零件中手臂與機械螺桿連接，減速齒輪耦合螺桿與直流減速電機，同時在多個手臂控制器的協調下，對電機進行轉動控制，對機器人手臂進行控制，具體步驟以下進行詳細闡述：

對于機器人手臂關節電機瞬時傳遞函數表示？如下：

其中，La表達控制反電勢系數，dia表關節運動角度限制，dt為手臂負載轉矩，Raia表達手臂中電動機轉矩系數，Ea表關節電機負載轉動慣量，Ua表手臂位能。

2 機器人手臂自動控制設計的優化原理

機器人手臂控制初始模型建立。為提高機器人抓取動作控制的精確性，本部分對精度問題進行優化設計，以解決精度誤差。根據機器人操作空間末端效應器位置狀態中的啟發式性信息建立初始模型，并對手臂抓取動作作優化，將控制系統中初始前變量改動操作。

其手臂自動控制優化設計用以下公式表示：

通過以上公式對于機器人手臂自動控制優化，根據機器人于操作孔間末端效應器位置狀態中啟發式信息進行分析，對手臂控制初始模型進行建立，根據抓取運動規劃將修改機器人控制初始前變量，從而對原有控制方案存在的一定缺陷進行優化，實現了手臂自動控制的優化設計。

3 實驗及仿真證明

為證明其方案設計的有效性，將本文中提出的方案在ARM基礎上進行進行檢驗。研究將對不同的控制方案，并于MATLAB？R2008b對手臂控制實驗平臺進行設立，機器人雙手臂相關參數見表1。

本實驗中，研究通過手臂末端執行器對9個連續位置點進行設定，并將其距離設置為180mm，隨后將運動相關指令輸入在機器人手臂進行末端執行器實際運動時，將其使用儀器進行計算，并計算器設定點與控制位置中誤差范圍。并利用兩種算法：傳統算法、改進算法，對機器人手臂自動控制進行試驗，通過兩種不同算法對機器人手臂在實驗中產生的誤差進行對比，從而對兩種算法的設計有效性進行驗證，詳見表2。從表中可以看出，改進算法明顯優于傳統算法，優化了設計方案。

在進行算法實驗后，再利用兩種算法進行手臂自動控制設計實驗，對關節角速度與控制曲線相比，對比結果如下。

從圖1可以看出，改進算法能夠對手臂自動控制問題有良好的解決，且穩定性較高比傳統算法具有明顯優勢，改進算法控制具有較高的有效性。通過仿真實驗表明，本次研究基于ARM控制的手臂設計方案能夠提高精確度。

4 結論

綜上所述，對于在ARM系統基礎上的手臂自動控制設計方案可行度高，其研究過程根據操作空間末端效應器中啟發信息，而對手臂控制系統進行組建，同時根據對手臂抓取動作進行分析，實現對機器手臂初始前向變量修改，對總動量方程進行計算，并優化選取方案，使重要動量維度行動量控制融于分解動量控制方法，實現對機器人手臂動量控制建立。本優化方案針對手臂自動控制方案進行了優化，提高了機器人手臂精度，具有較高的魯棒性，具有一定的研究價值。同樣存在一定缺陷，如手臂抓取動作控制的精確性有待進一步提高。

參考文獻

[1]豐煥亭.機器人手臂自動控制的優化設計與仿真[J].計算機仿真，2016，33（3）：264-267.

[2]郭盛，于智遠，曲海波.輕型抓取機器人的優化設計與路徑規劃[J].北京交通大學學報，2017，41（1）：101-106.

[3]郭鵬，房靈申，趙明揚，等.基于擴展任務的雙臂機器人位姿優化[J].組合機床與自動化加工技術，2018（1）：8-12.

[4]李峰平，張正亞，周斯加.修邊機器人的夾緊機構優化設計及運動分析[J].中國機械工程，2016，27（3）：387-390.

[5]Luc Jaulin.機器人自動化：建模、仿真與控制[M].北京：機械工業出版社，2017.