氣動輕量型機械臂伺服控制系統和碰撞檢測

李 偉 孫明旭 王玉軍

（首都航天機械有限公司，北京100076）

近年來，我國老齡化趨勢更加嚴重，為了提高自身生活水平，以護理功能為主的機器人被研發和推廣，尤其在娛樂和教育領域的機械人發展前景良好。不確定的環境加大了對機器人結構設計的要求，要想滿足機器人設計和發展要求，應將輕量化作為主要發展方向。氣壓驅動機械臂可為人機交互的實現提供條件，將交互控制和防碰撞作為機器人主要研究內容，可實現服務型機器人在各個領域的有效推廣。

1 氣動輕量型機械臂設計方案和建模

機械臂輕量化是為了滿足服務型機器人在社會中滿足不同領域的使用要求，結構小巧、靈活輕便的機械臂在文教娛樂、人機協作等方面有著重要應用意義。首先，要選擇輕質材料，如鈦合金、鋁合金、聚四氟乙烯等，其次要進行結構優化設計，如中空的結構設計，是實現輕量化的有效舉措。各軸間的線纜要在機械臂內部完成走線，能保證線纜運動范圍不受各軸影響。最后，要利用外形小、質量輕的電機作為驅動裝置，可降低機械臂傳動過程中的復雜性，由此在簡化機械臂方案設計的同時，確保機械臂運動范圍較大。除了輕量化外，機械臂設計還要滿足柔順控制要求。這一控制是指通過力傳感器收集控制信號，以這類信號操控機械人行動。通常采用力傳感器、視覺傳感器來采集外界環境變化信息，然后將信號反饋至控制中心，根據外界變化操控機器人。上述設計要求都是實現機械臂有效設計的準則，也是進行機械臂設計的重要依據。為了適應人機協作機器人設計要求，本文對傳統電機驅動下的機械臂進行研究，將其分成并聯型機器人和串聯型機器人兩種，代表性的包括delta 型機器人和stewart 型機器人，在產品抓取和航空航天領域取得廣泛運用。另外，串聯型機器人是較為常見的機器人構型，在生產領域有著重要應用。分析各類機器人結構特點，并結合機械器特點，可發現scara 機械臂構型較為靈活，能實現快速移動，定位精準性高。因此，本文選擇scara 型布置形式。從以上闡述可知，氣動機械臂應是一個質量輕、結構簡單的設備，在節點設計上，要將以小臂和大臂共同組成的機械臂作為研究對象，考慮到機械臂設計時的輕量化要求，應優先選擇半中空構型，有利于走線布置，還能在保證結構強度的前提下減輕整機質量[1]。另外，在關節位置應選擇擺動氣缸為驅動裝置，去除減速機構、聯軸器等，簡化機械臂內部結構。整機應采用鋁合金材料，降低整體重量并達到較高機械強度。在選擇氣動關節時，應充分考慮位置伺服控制的簡化和驅動效果較好，這里選用擺動氣缸來進行驅動。

2 機械臂伺服控制系統研究

2.1 氣動伺服龍之系統研究軟件和研究流程

這里主要針對伺服控制系統的算法進行研究，利用sinmulink軟件完成建模和算法設計，借助仿真機進行樣機控制，可提高算法可靠性。在這一軟件平臺上設計算法，能減少編程時間，降低程序修正的復雜程度，還能快速完成算法調試。另外，利用半實物仿真系統，可讓控制算法在真實作業情況下進行檢驗。仿真平臺將程序轉變成C代碼，然后轉變成用于采集卡收集的信號實施樣機控制。目前為了縮短研發周期，順應市場需求，應在研發開始階段便制定合理的研究方案，因此，本文在研究機械臂伺服系統控制算法時，制定相應的研究流程，嚴格執行操作流程。具體的流程圖如下。

圖1 控制系統研究流程圖

執行以上研究流程，根據氣動機械臂設計要求，機械臂響應速度應在0.5s 之內；關節角度精度要在±3°以內，位置精度控制在±2mm 之內；機械臂運動中不能出現抖動、突變等現象，要求其具有較高抗干擾能力。

2.2 加速度的反饋校正

氣動技術主要優點表現在柔性好，使得氣動技術在柔性場合中取得廣泛運用，是氣動輕量機械臂設計要點。例如，助力機械臂、康復機器人等，在這些設計場合中使用氣動技術能完成作業任務，同時可保證使用安全和環境保護。但是柔性同樣是啟動技術用于驅動機械臂關節時的一大弊端。在低壓情況下，氣體強壓縮性在伺服控制系統中更加明顯。在伺服系統中，由于受到氣體這一屬性影響，將出現低阻尼比，導致系統響應不穩定。解決這一問題的方法有以下兩種：一是改進硬件條件。但是這一做法成本較高，因此是不可取的；二是優化控制算法。是指在伺服系統中添加校正方法，不斷提升系統性能，提高其穩定性。根據控制理論，在系統中加入加速度和速度反饋可達到校正目的，加速度反饋與系統阻尼比有關，加入這一反饋可提高阻尼比，而速度反饋能起到提高系統剛度的作用。因此，本文采取加速度反饋的方法，提高機械臂伺服系統的整體剛度。

2.3 摩擦力前饋控制算法

摩擦力是指兩個接觸的物體產生相對運動后產生的力，相關學者針對氣缸摩擦力進行了大量研究。從stribeck 摩擦力理論來看，可建立氣缸摩擦力矩模型，將摩擦力分成四個階段，深入探討不同階段對應的控制算法，本文在對stribeck 算法進行改進后，使其用于氣缸摩擦力模型計算中。根據模型分析，我們了解到摩擦力矩具有較強非線性，這種因素會對系統運行產生一定影響，導致系統穩定性差[2]。在實際工程中，低速階段氣缸出現爬行現象的主要原因在于摩擦力是非線性的。在擺動氣缸使用中，低速階段是摩擦力從靜到動的過程，這兩者摩擦力矩形成的差值是氣缸出現爬行的主要原因。由于宏觀運動的不連續性將降低系統運動穩定性和定位精確度。總的來說，爬行現象產生原因為氣缸從靜止至開始運動前，受到摩擦力作用，輕量機械臂保持不動，隨著偏差量增加，則內部壓差形成的驅動力超過靜摩擦力后，驅使系統開始運動。根據以上闡述，我們應采用一種補償方法解決系統不穩定問題。大多數學者傾向于采取摩擦力前饋控制方法進行補償，當前饋補償傳遞參數和閉環系統中的傳遞函數倒數相同時，可完全消除摩擦力對系統的影響。從實際情況來看，本文在進行摩擦力補償時，通過實驗計算摩擦力矩，并根據觀測值確定前饋系數，然后對系統進行補償，試驗表明，當選擇適宜的前饋系統時，可避免由于摩擦力距造成的系統不穩定缺陷。

3 氣動輕量型機械臂的碰撞檢測方法分析

目前相關文獻中還沒有關于氣動輕量機械臂的碰撞檢測方式，這里從電機驅動機械臂碰撞試驗來討論。通常將碰撞檢測分成非接觸式傳感器和接觸式傳感器兩種。前者是通過超聲波傳感器和視覺傳感器等，檢測機械臂和其他物體間的距離，判斷是否產生碰撞。后者是檢測碰撞力矩，屬于一種柔順控制方法。具體方法如下：外部力覺傳感器加檢測[3]。如博世公司apas 人機協作系統便采用這一檢測方法，ur 機器人主要采取關節摩擦力矩的檢測方法；電流環檢測。該方法是指檢測碰撞時的電流變化情況，識別碰撞時摩擦力矩大小，具有容易實現、成本低等優點，但是檢測結果容易受到外部因素影響，精確度較低。通過上述分析，本文結合了擺動氣缸特點，利用氣壓傳感器方法，快速檢測出是否產生碰撞力，通過估計外部擾動力矩進行檢測，可根據動力學方程確定力矩大小。但是實際計算結果和碰撞力矩之間存在差異，因此，應將提高碰撞力矩計算精確度作為研究重點，從計算方程式來看，在慣性項要確定加速度，這時應進行位移量的二次微分，由此會帶來噪聲信號。從這一角度看，為了保證伺服控制系統運行穩定性，應利用濾波器確保信號的準確性，提高氣動輕量機械臂碰撞檢測有效性。

4 結論

綜上所述，本文主要針對二自由度機械臂設計和碰撞檢測方法的研究，建立機械臂動力學模型和運動學模型，對這一機械臂進行伺服控制系統分析，提出加速度反饋和摩擦阻力前饋補充控制模型，還利用摩擦力矩檢測器，旨在提高摩擦力補償精確性。利用相關軟件建立分析模型，進行試驗分析后，可提出有效的控制方法，最大程度提高輕量型機械臂的防碰撞性能。