采摘機械臂自適應輸入整形控制研究

黃鑫澳

摘要：農業裝備從機械化到智能化的跨越正在加快，農用采摘機器人的應用也越來越廣泛.在鮮食蔬果中，番茄是采摘難度最大的果蔬種類之一.番茄果實密集生長相互觸碰，且果皮柔軟易破，因此夾剪一體式采摘機器人成為了主流.采摘作業時，末端執行器接觸到番茄穗所在主枝干后，并攏夾住切斷果莖，而后運輸到指定位置.但在移動過程中，往往發生果實的掉落問題，其中果穗的抖動，是掉落的重要原因之一.因此，如何抑制果穗運輸過程中的抖動，是提高采摘成功率的關鍵。基于此，對采摘機械臂自適應輸入整形控制進行研究，僅供參考。

關鍵詞：采摘機械臂;可變柔性負載;振動控制

引言

機械臂是一種多輸入、多輸出且具有時變性、時滯性和高度耦合性的復雜非線性系統。機器臂系統的不確定性可能會導致依據該模型構造的控制器性能降低，甚至不穩定。在控制器設計時，很多控制策略都會有局限性，這將會對機械臂系統輸出跟蹤期望軌跡的實現帶來巨大影響。因此機械臂系統中存在不確定項難以避免地會導致系統的性能大大降低。神經網絡應用在機械臂運動控制中，可以處理機械臂系統模型中的不確定性，還能對它進行實時控制。

1輸入整形概述

輸入整形（InputShaping）作為一種前饋控制方法，能實現柔性結構的振動抑制.20世紀50年代，伯利克大學Smith在懸垂物的移動實驗中，發明Posicast控制方法消除殘余振動.90年代中期，麻省理工學院的Singer等學者改進了這種方法，并將之稱為輸入整形技術.其后，國內外專家學者對輸入整形器的研究相當活躍，并取得了豐碩的成果。把輸入整形從單輸入單輸出系統，擴展到多輸入多輸出系統.在閉環回路中加入Smith預測器，克服輸入整形器造成的時間延遲;針對汽車生產線中的裝配機器人，提出一種魯棒性較強的整形器，對移動中的車體執行車輪裝配任務;把輸入整形技術應用到醫用X光機上，實現零相位誤差周期信號的跟蹤;對一類帶有完整約束的雙吊車系統進行分析，根據求取的振蕩周期設計出合適的輸入整形器;提出一種基于S型曲線軌跡生成法，實現旋轉起重機兩級殘留擺角的抑制;基于輸入整形算法針對深海起重機系統提出了一種實時軌跡規劃方法，有效抑制了負載擺動;通過引入基函數參數化的前饋控制器和輸入整形濾波器，消除期望軌跡引入的擾動。

2柔性機械臂

是一個非線性的復雜系統，它廣泛的應用于航天探索、工業裝配等領域。相比較于傳統的剛性機械臂，柔性機械臂具有回轉半徑更大和輕質的特點。目前，關于柔性機械臂建模的方法主要分為假設模態法和有限元法兩大類。使用假設模態法建立了轉角與模態坐標相耦合的柔性機械臂的動力學方程;使用有限元法建立包含柔性關節的柔性機械臂動力學方程。在柔性機械臂的動力學建模過程中，往往假設柔性機械臂在水平面運動。但是，在一些實際的柔性機械臂應用過程中需要考慮重力因素。在雙柔性機械臂建模過程中將重力因素予以考慮。在含有柔性關節的機械臂伺服系統建模過程中將重力因素予以考慮。重力被引入動力學方程，因此在柔性機械臂動力學建模的過程中需要考慮重力因素。

3硬件結構設計

系統硬件包括上位機、主控制板及舵機三部分構成，其中上位機觸摸屏通信接口具有通信協議兼容性好，接口簡單，交互方式方便、直接、快捷的特點，適用于各類型控制器，其不僅承載了控制系統與外部交互的作用，且確保了控制系統的安全、穩定運行。實際運行中，工作人員可通過觸摸屏實時監控包裝機的運行狀況，同時可通過觸摸屏輸入控制指令及工藝參數。Arduino主控板作為系統核心，采用ATmegal280單片機作為處理單元，與PC機通過RS232通信，采用在線控制計算機實現功能選擇。主控板完成機械臂運行參數的實時調整控制，同時基于RF模塊將信息傳輸到控制板并生成脈寬調制信號。通過傳輸信號的差異化時間控制完成多伺服舵機協作。

4控制策略

4.1機械臂柔性負載控制系統

為了驗證本文提出方法的有效性，以單個西紅柿作為負載，西紅柿果莖作為柔性連桿，將自適應控制算法應用于采摘機械臂抓取西紅柿果莖的振動抑制中。

4.2意外碰撞仿真實驗

當檢測到意外碰撞發生時，機械臂應立刻激活安全控制策略以保障人機接觸安全。為此，意外碰撞仿真實驗以機械臂無控制策略作為對照組，分別使用阻抗控制及速度控制兩種策略來處理意外碰撞，在不采用控制策略條件下，機械臂與外部環境發生意外碰撞接觸后繼續向目標位置前進，隨著來自環境的阻力不斷增大，機械臂與環境之間的接觸力也不斷增大;在采用阻抗控制策略條件下，當機械臂與外部環境發生接觸后，該控制機制立即產生一個位置修正反饋以驅使機械臂逃離碰撞，最終機械臂和外部環境之間維持一個較小的穩定接觸力;在采用速度控制策略條件下，當意外碰撞發生時，機械臂與外部環境之間的接觸力觸發速度控制機制，使得機械臂可以快速地遠離接觸力源，直至接觸力衰減為0后停止運行。由此可見，在意外碰撞發生時，采用阻抗控制策略或速度控制策略都能使機械臂快速逃離碰撞物以降低碰撞作用力。從圖7中還注意到，雖然采用阻抗控制策略或速度控制策略都能降低機械臂與外部環境之間的碰撞力，但由于阻抗控制策略本身的局限性，最終機械臂與外部環境之間的接觸力不為0，沒有達到所設置的接觸力期望值，故而需要在對力誤差產生原因進行分析的基礎上進一步改進阻抗控制策略。

結束語

隨著智能機器人的發展，作為機器人的重要組成部分，機械臂的設計與控制是研究的關鍵。考慮到成本與控制因素，輕型機械臂設計多采用兩種方案，一種為傳統電機與減速器驅動的方案，如ASIMO和Sophia，負載較小，便于控制。

參考文獻：

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