機械臂末端接觸力控制系統設計

王志剛

摘要：為了實現機械臂末端接觸力控制系統的高精度和準確性控制，我們提出了一種基于力矩分量算法的接觸力控制系統設計方法。根據接觸力控制系統的工藝流程操作要求，進行控制系統硬件設計;通過對控制系統的運動過程和彈性執行自動化過程的分析，進行控制系統軟件設計。通過MATLAB進行仿真實驗，驗證了該系統設計的準確性和有效性。

關鍵詞：機械臂;接觸力控制;硬件設計;仿真模擬

中圖分類號：TP271+.2 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0279-02

機械臂作為實現自動化和工業化的關鍵技術，其發展備受關注[1]。機械臂設計關鍵是末端接觸力控制系統的精確運行和流暢操作。機械臂末端接觸力學狀態與工作息息相關，如何實現機械臂末端接觸力的精準控制是研究重點。為此本文從硬件和軟件方面對控制系統進行優化設計，經過實驗論證，證明本文設計的性能。

1 接觸力控制系統硬件設計

1.1 控制系統控制器

控制器是接觸力控制系統實現指令輸出和信號輸入的處理裝置。包括彈性執行器、PD模塊、實際電機位置讀取模塊、信息監測模塊和計算模塊[2]。

根據工藝要求，控制器在設計上應采用閉路力學控制方法，實現接觸力的精確控制。閉路力學控制裝置是由PD功能模塊和電機位置讀取模塊構成的[3]。利用實時信息監測模塊檢測機械臂位移或復位運動電壓，檢測數據經計算模塊計算后轉化為實際接觸力參數，進行期望值對比后輸出信號到PD功能模塊。經過實際電機位置讀取模塊的位置增量計算，將實際位置信號輸出給機械臂末端，實現機械臂末端接觸力有效控制。

1.2 控制系統顯示面板

顯示面板是實現控制系統對機械臂操作的控制臺，通過手動輸入信息，實現機械臂精確運轉。

編程界面通過分析程序指令，實現機械臂多流程、多線束可編程控制、指令開發與解析、點對點運動、直線運動等功能[4]。

機械臂力學控制裝置界面包括力學參數設置、狀態顯示、單軸點動控制按鍵、界面跳轉功能鍵、手動力學控制以及機械臂運動速度等功能。在力學控制界面，能夠設置預測力學控制狀態并顯示實際力學狀態。配備的手動力學控制裝置可以結合單軸點動控制裝置，在特定狀態下（靜止、復位、運動驟停）的力學性能檢測和調試。

1.3 控制系統運動坐標系

控制系統的運動坐標系設計包括機械臂運動控制的基本功能[5]。

針對機械臂末端接觸力編程問題和實際運動中的位置轉換，需通過運動坐標系進行機械臂位置標定以及確定接觸力大小[6]。基于三點示教法坐標系位置確定裝置工作原理，記為A（Ox，Oy，Oz）;通過水平左移機械臂一定的距離，記為第二個坐標點B（X1，X2，X3）;將機械臂進行向上移動，標記第三個坐標點C（X1，X2，X3）。

以三點坐標作為基準向量建立坐標系，其中X軸方向的坐標可以用矢量表示為：

將三軸的矢量表示法進行歸一化處理后，就可以得到機械臂運動坐標系。根據實際機械臂末端運動位置，就可以確定相應的坐標系對應的坐標點，根據相應的坐標接觸力計算方法，實現多線束多流程的可編程控制。

2 接觸力控制系統軟件設計

2.1 接觸力分析軟件

機械臂執行操作任務時，存在機械臂末端與不同任務環境接觸的階段，該階段接觸力分析是實現準確控制的關鍵。實際機械臂末端裝有多維力傳感器可對環境接觸力進行檢測。力學傳感器采集到的數據由接觸力分析軟件分析。接觸力分析軟件能夠根據傳感器上傳的數據，通過計算實現機械臂位置調整。機械臂在操作過程中接觸力的作用時間較長，接觸過程可作為靜態接觸過程來分析，可縮短接觸力分析時間，提高軟件運算速率。

2.2 接觸建模軟件

剛體碰撞是瞬態過程，機械臂末端接觸為持續一段時間的柔順過程。因此在機械臂接觸力建模過程中，建模軟件應根據時間對柔性模型做法向力和切向力的關系描述，模型的參數與機械臂的幾何屬性及環境的楊氏模量相關。基于此法的接觸力建模軟件與實際機械臂運轉情況相吻合的。

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

計算接觸力時需注意：未接觸時接觸力為零;當接觸力持續進行時，將一直保持力平衡狀態，此時的剛體運動速度與接觸面的瞬間接觸速度保持相等，接觸力的計算公式變為：

表達式中接觸力為零或取正值時，屬于正常柔性接觸狀態;接觸力取負值時，表示剛體的運動速度較接觸面運動速度大，說明接觸力正在消失。

3 仿真實驗

為了對接觸力控制系統的軟件和硬件進行有效性和穩定性，我們通過MATLAB軟件對直線運動的機械臂運動進行了仿真實驗。

在笛卡爾坐標系中進行機械臂直線運動的位移和速度變化的曲線分析。如圖1所示。

圖中分別為XY方向和三維整體運動的力學分布和運動軌跡視圖。通過分析得到模擬圖及結論：在直線運動過程中，接觸力響應發生在5.9s接觸后，并在之后的時間內保持穩定。機械臂運動7.9s左右接觸力達到最大值;在8.9s后，實驗結束，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。通過以上仿真實驗分析，結合實際機械臂運動的控制參數，仿真實驗能夠真實準確的反應接觸過程中接觸力和位移的變化情況，說明了本文設計的有效穩定。

4 結語

本文通過對機械臂末端接觸力變化情況進行的硬件和軟件的設計，并通過模擬實驗驗證了控制系統的穩定性和有效性，仿真實驗能夠清晰地表現整個接觸過程中力的變化和動態特征，末端接觸力計算準確有效。希望本文對于機械臂末端接觸力控制系統的研究，及后續的機械臂力學控制系統的設計提供參考和幫助。

參考文獻：

[1] 肖南峰， 巢婭， 陳星辰. 仿人機械手的觸覺傳感器和關節驅動及控制系統設計與實現[J]. 重慶理工大學學報， 2018， 32（1）：148-157.

[2] 楊儒驍， 李雨婷. 基于MATLAB和Arduino的小型機械臂控制系統設計[J]. 工業控制計算機， 2018，31（5）：83-85.

【通聯編輯：張薇】