基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統設計

于旭蕾，李相澤

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，沈陽 113122; 2.東北大學 計算機科學與工程學院，沈陽 110169)

0 引言

目前智能科技的快速發展，機器人逐漸被應用于人們的生產生活中，傳統的服務式機器人以電機為核心設備，可進行重復運動，但靈活性較差[1-2]。由于氣動技術具有剛性強、結構簡單、靈敏度高等優勢，被廣泛應用于機械臂的生產和研發中，并替代人工操作，進行高質量的服務工作，極大地節約了人力資源，提升了工業生產質量[3]。但目前設計的氣動輕量機械臂伺服控制系統的穩定性差、響應速度慢，不能發出準確的控制指令，導致實際應用過程中易出現操作誤差，不利于機器人的可持續應用和發展。

為此，相關領域研究人員對氣動輕量機械臂展開了深入研究。文獻[4]設計了基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統，通過構建機械臂運動模型，對機械臂的非線性運動進行深入分析，利用反步法設計伺服控制系統，并結合機械柔順控制方法，有效控制機械臂的關節驅動器，整體控制效果良好，但系統的穩定性較差，常出現控制誤差。文獻[5]設計了基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統，充分利用嵌入式運動控制器的實用性、高穩定性以及較高的抗電磁干擾能力，采用力矩傳感器進行數據采集，通過AD模數轉換器進行數據轉換，從而生成準確的控制指令，整體穩定性較高，但控制指令的執行力較差，整體控制效果較為不理想。

針對上述問題，氣動輕量機械臂伺服控制系統設計的主要難點在于機械臂無法應對外界環境的變化，導致機械臂控制穩定性和效果較差。為此，本文設計了基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統。采用JAVA技術平臺，在RTW環境下搭建系統硬件結構，預設JAVA開發環境，完成了控制系統軟件設計。通過測試驗證了JAVA技術平臺為氣動輕量機械臂伺服控制系統的開發和運行提供了可擴展性平臺，能夠更好地適應外界環境變化，對氣動輕量機械臂進行交互響應和實時行為，從而有效實現氣動輕量機械臂伺服控制，精確控制氣動輕量機械臂姿態，以此來確保氣動輕量機械臂伺服控制穩定性和效果。

1 基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統硬件設計

1.1 電機模型

針對直流電機驅動型機械臂，首先設計全關機控制系統，在滿足JAVA技術平臺運行的情況下，建立機械臂直流電機模型，每一個直流電機對應一個關節，是控制系統的核心控制對象。結合直流電動機的運行特性和組成結構，采用電阻電感型串聯電路作為直流電動機的中樞電路，忽略電磁的時間干擾[6-7]。電機模型中的直流電機等效電路如圖1所示。

圖1 直流電機等效電路

觀察圖1可知，直流電機內部有3個電阻，分別控制電壓、電流的方向，直流電機能夠直接控制系統，通過電樞構造和反電勢原理實現控制，內部的電阻和電機通過串聯形成電路，保證系統穩定運行[8-9]。

電機時間常數的取值影響到了機械臂關節轉動的靈敏度，為保證機械臂運動的準確控制，針對時間常數需結合多組階躍信號進行多次測量，以保證電機處于正常運行狀態[10]。

1.2 關節雙閉環控制器

在考慮噪聲干擾以及帶寬大小的影響下，為提升系統的抗噪聲干擾能力和噪聲消除能力，本文選擇關節雙閉環控制器對機械臂關節的轉速和轉角進行控制[11]。雙閉環控制系統如圖2所示。

圖2 雙閉環控制系統

根據圖2可知，雙閉環控制系統采用上下兩個閉環，通過位置控制器實現位置反饋和速度反饋。雙閉環控制系統工作原理為：首先，關節轉速由內環即速度環進行控制，在功能上，內環負責接收轉速傳感器的采集數據，為提升系統響應速度，內環帶寬相對外環較大，能夠有效抵御噪聲干擾。關節的轉角由外環即位置環進行控制，在功能上，外環負責接收位置傳感器的采集數據，位置傳感器的型號為MEAS MS32、大小為TDFN：2.5×2.5×0.8、精度為0.1 kA/m(典型值)、量程為：1～3 kA/m磁場開關，為有效消除和抑制噪聲，外環的帶寬相對較小[12-13]。基于內外環的結構特性和功能，關節雙閉環控制系統的構建以JAVA技術為基礎在RTW環境下進行搭建，傳感器的采集數據以及控制器內部的控制指令的發送通過PCI1711數據傳輸器完成。通過信息傳遞實現較好的控制，積分器在控制過程中發揮著核心作用，能夠分析整體性能，處理積分數據，實現數據研究。

1.2.1 速度環設計

速度環作為關節雙閉環控制器的內環，其工作狀態受機械臂運動摩擦力以及電機齒輪縫隙等多種因素的影響，大部分影響因素為非線性因素，其變化規律難以掌握，且大多數干擾存在于低頻關節系統中，為維護系統的穩定性，速度環利用微分控制，雖然微分控制法的控制效果好，但若設計不合理可能導致系統的主導極點不受控制，造成系統響應延遲等情況的發生，故在設計內環時，需結合系統結構不斷調試比例參數，使系統的穩定性達到預期狀態[14]。初始化系統參數，設置系統閉環傳遞函數，輸出速度環的階躍響應曲線如圖3所示。

圖3 速度環階躍響應曲線

根據圖3的響應曲線可知，當運行時間為3.0 s時，電壓開始大幅度上升，在上升到1.0 V之后，雖然有所波動，但是基本能夠保持穩定。

1.2.2 位置環設計

位置環不僅是雙閉環控制系統的外環，同時也是系統的主回路。在外環中，由于內環速度傳感器的數據獲取和微分控制，導致系統主回路也受微分控制的影響，在內環中，可以消除局部靜差，而在外環中，由于帶寬較低，局部靜差難以消除，使得系統的穩定性較低[15]。為此，本文通過比例控制法降低微分控制對系統主回路的影響，即在控制器的基礎上，在外環上串聯一個適當比例的校正環節，以抵消系統主回路中的局部靜差，經過多次測試，總結出最適合系統運行的帶寬比例，即本著外環帶寬是內環帶寬五分之一的比例原則，調節控制器參數。

1.3 數據采集器設計

數據采集器會將傳感器的內容轉換成系統可接收的模式，方便微處理器后期讀取，計算測量值和真實值之間的關系，利用RS-485通訊接口完成信息通訊。在GPTRS網絡上輸入得到的數據，并將數據轉移到中控室，由中控室完成信息的整體控制。

由于微處理器能夠發送信息，完成信息的控制，所以利用RS-485通訊接口連接GPRS DTU，為降低控制系統的工作成本，提高系統的使用能力，因此在單片機內部加入了MAX785芯片。單片機的工作電壓為3.3～5 V，確保電壓的穩定性，不會出現電壓抖動。采集器的工作溫度在-40～+60 ℃之間，在正常模式下，會出現功耗，一般能夠控制在7mA以內，如果系統內部采集器處于掉電模式，則功耗小于0.1 μA。掉電模式可以有效降低系統的功耗，適用于不同的低功耗場合，完成數據遠程采集。

采集器內部的單片機具有A/D轉換器，位于不同的PI口上，可以通過采集數據改變轉換速度，確保控制系統在運行過程中的精度。單片機12位A/D采樣的精度為±0.19%，能夠有效滿足系統要求。

MAX785芯片具有RS-485的通訊功能，采用的通訊方式為半雙工通訊，能夠實現電平轉換，提高傳輸速率，并提供有效的電源電壓。相比于其他的通訊芯片，MAX785芯片的價格更低。

采集器采集的信號包括開關量和模擬信號，所得到的開關量在輸入系統內部之前，需要經過去抖動操作，這樣系統才能在中斷外界連接的方式快速讀取數據。由于采集器內部的單片機不具備直接讀取電流的能力，因此需要經過精密采樣才能完成電流與電壓的高精度轉換，在不同的端口中輸入信息，實現信息轉換和讀取。系統采集器擁有4個通道，每一個通道都與單片機相連，能夠快速實現信息轉換。

1.4 數據處理單元設計

數據處理單元是實現設備全維度狀態監測的基礎，為保證數據處理精度，設計相應的硬件結構進行檢測數據處理，主要的硬件結構包含數據處理器、微控制器和串行通信模塊三部分，對應硬件結構和功能如下。

數據處理器。數據處理器包含多路電流傳感器、A/D信號轉換電路、數據寄存器以及預處理電路等。其內部的電路設計采用集成電路設計法，即在微控制器的控制下實現信號的A/D轉換功能。其中，電流傳感器承擔主要的數據處理工作，處理信息包含數據的運行電流、電壓、頻率、幅值等多種信息。寄存器能夠存儲短時間內的處理數據，處理數據的預處理在寄存器中實現，處理目的在于將處理數據調配到試樣A/D轉換的數據需求。

為滿足高強度的控制需求，微控制器采用STCl2C5-A60S2單片機為控制核心，集成8051控制內核、定時器、FLASH等控制核心，保證微控制的控制效果，同時采用8通道和兩個I/0接口進行指令傳輸，指令傳輸有序，能對微控制器自身和數據處理模塊中所有元件進行控制，且內設看門狗的在線編程模塊，支持功能擴展，進一步提升微控制器的適應性、可擴展性和靈活性。

串行通信模塊。通信是數據處理模塊與其他模塊進行數據交換的基礎，為配合STCl2C5A60S2單片機的應用需求，采用RS232串行通信進行通信連接，保證數據處理器內部和外部通信的質量。RS232串行通信的優勢在于邏輯轉換靈活，針對不同的設備運行電壓，邏輯轉換信號低于兩個2個幅度，最大限度地保證數據通信的穩定性。

2 機械臂設計參數

采用機械臂D-H參數法，得到氣動輕量機械臂的D-H參數如表1所示。

表1 氣動輕量機械臂的D-H參數

在表1中，關節1、關節2、關節3是公知的，并且能夠采用直尺來測量。其中，角度的大小不會對氣動輕量機械臂末端執行機構的位置產生任何影響，僅用于對氣動輕量機械臂末端執行機構的抓取姿勢進行控制，而θ1、θ1和θ3會對氣動輕量機械臂坐標位置產生影響。

3 基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統軟件設計

JAVA是一門功能強大、應用簡單、面向對象、具有可移植性的編程語言。JAVA技術平臺可以實現跨平臺運行，在應用JAVA編程語言進行程序開發和運行時，往往需要預設JDK(JAVA開發環境)和JRE(JAVA運行環境)，而JAVA技術平臺能夠為氣動輕量機械臂伺服控制系統的開發和運行提供了可擴展性平臺，可有效地適應外界環境變化，從而確保氣動輕量機械臂伺服控制穩定性和效果。因此，在系統硬件的支持下，本文以JAVA技術平臺為基礎，采用JAVA編程語言設計氣動輕量機械臂伺服控制系統軟件，詳細設計如下。

3.1 補償控制

針對氣動輕量機械臂的補償控制采用加速度前饋補償法和摩擦力前饋補償法。考慮氣動輕量機械臂在低速運動中受氣體的可壓縮性影響較大，其機械臂自身具有低阻尼特性，系統剛性較低，導致伺服控制系統的相對穩定性較差，因此提升系統的剛性對于提升系統的控制能力具有重要作用。

采用一階慣性環節對電機模型進行等效描述，等效式如下：

(1)

公式(1)中，K為電機的比例系數；T為時間常數；n(s)為控制時間；U(s)為驅動時間。

PID+加速度反饋和摩擦力前饋補償策略如圖4所示。

圖4 PID+加速度反饋和摩擦力前饋補償策略

3.2 機械臂運動控制

機械臂本身是一個復雜的系統，針對其運動控制的難度系數相對較高，機械臂運動控制的設計要求控制機械臂上每一個關節的轉動的角度，以確保機械臂以正確的運動姿態完成相對應的動作。

針對機械臂的運動控制，每一個關節都可視為一個因變量，可運用運動學分析法分析關節角度與機械臂之間的關系作為運動控制的基礎，機械臂每個關節的變換矩陣An的計算公式如下：

(2)

公式(2)中，L為機械臂的關節長度；θ為機械臂關節的偏轉角度。

機械臂的臂座與抓手之間的總變換矩陣Tn如下：

Tn=A1A2A3......Am

(3)

公式(3)中，A1、A2、A3、Am均表示機械臂關節變換矩陣；m表示該機械臂擁有的關節個數[18]。

根據變化矩陣確定機械臂之間的關系，實現機械臂運動控制。

3.3 目標特征提取與匹配

在機械臂對目標物體采取抓取等操作之前，首先識別目標物體并進行物體測量[19]。利用目標識別成像原理[20-21]，抽取成像目標特征，并與實時獲取的圖像進行特征比對。為提升目標識別的精度，結合JAVA編程技術、特征提取法以及特征匹配法編譯目標識別程序。

由于機械臂圖像采集系統的采集圖像為積分圖像，為縮短圖像識別的時間，采用Hessian矩陣尋找圖像中像素最亮或最暗的點為特征點，并利用最大值計算法計算特征點的匹配值[22]。

Hessian矩陣H(σ)在特征點f(x,y)的定義式如下：

(4)

公式(4)中，σ為特征提取尺度；H(x,σ)為矩陣H(σ)在x處的卷積；H(y,σ)為矩陣H(σ)在y處的卷積[23]。

尋找到特征點后，提取特征信息，將特征信息與數據庫中已有的信息進行匹配，匹配計算公式如下：

(5)

公式(5)中，G為匹配值，當G值為0時，表示數據庫中無與特征點相匹配的數據，特征匹配失敗。當G值為1時，表示特征匹配成功，數據庫輸出與之對應的數據信息[24-25]。確定匹配值后，完成氣動輕量機械臂伺服控制系統控制。

4 實驗分析

為了驗證所提方法設計的基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統的有效性，采用所提方法設計的伺服控制系統、文獻[4]設計的基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統和文獻[5]設計的基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統進行實驗對比。設定實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數

根據表1的實驗參數，選用3種系統進行實驗對比，得到機械臂小臂關節和大臂關節的運行角度如圖5和圖6所示。

圖5 小臂關節機械臂正弦響應曲線

根據圖5可知，機械臂小臂關節正弦響應曲線在45 s共經歷了3次波動，存在3個波峰，波動時間間隔15 s。在3次波動中，機械角度的目標角度與本文提出的伺服控制系統基本一致，維持在95°左右，波動方式也能保持一致，而文獻[4]設計的基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統和文獻[5]設計的基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統運動方式和波動峰值與實際機械角度有很大差距，文獻[4]設計的基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統的波動峰值為80°，而文獻[5]設計的基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統的波動峰值為60°，與目標值95°有極大的差距，難以滿足伺服控制的最終要求，不適合于實際應用中。

圖6 大臂關節機械臂正弦響應曲線

根據圖6可知，在45 s伺服控制時間內，大臂關節機械臂正弦響應曲線共有2次波動，波動時間間隔為22.5 s。在波動間隔上所提方法設計的基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統與文獻[4]和文獻[5]設計的系統都能夠與目標控制方式保持一致，但是在機械角度上，文獻[4]和文獻[5]設計的系統顯示出極大的局限性。而所提方法設計的系統兩次波峰均維持在95°左右，與目標控制方式完全吻合，波峰也保持一致。文獻[4]設計的基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統的波峰為82°，文獻[5]設計的基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統的波峰為60°，與目標值相差較大，難以完成預計的工作方式。

綜上所述，使用所提方法設計的基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統控制后，機械臂的大臂和小臂的偏移角度與目標角度基本能夠保持一致，以平穩的狀態運行，其控制穩定性較好。而使用文獻[4]設計的基于反步法的氣動輕量機械臂伺服控制系統、文獻[5]設計的基于嵌入式運動控制器的氣動輕量機械臂伺服控制系統后，機械臂雖然也能夠穩定地運行，但是運行的角度與目標角度相差較大，難以達到要求。

對機械臂的運行路線進行統計，分別在外界環境無變化和存在變化兩方面進行實驗，在存在變化的外界環境中放置不同數量和位置的障礙物，從x，y，z三個方向比較運行偏差，得到的實驗結果如表3和表4所示。

表3 外界環境無變化情況下機械臂運行偏差實驗結果

表4 外界環境變化情況下機械臂運行偏差實驗結果

根據表3可知，在外界環境無變化的情況下，所提方法設計的機械臂伺服控制系統的控制能力優于文獻[4]和文獻[5]設計的控制系統，起始點、中間點和終止點與目標定位完全相符，而傳統系統與規定的路線相差較大。

根據表4可知，當外界環境出現變化時，所提方法設計的系統和文獻[4]和文獻[5]設計的系統都難以與實際定位保持一致，但是所提方法設計的系統相差較小，而文獻[4]和文獻[5]設計的系統相差過大。造成這種現象的原因是，所提方法設計的系統利用JAVA技術平臺，通過雙目測量視覺誤差，確定誤差位置，根據位置反饋提取特征，因此可以很好地保證運行精度，確保機械臂控制效果。而文獻[4]和文獻[5]設計的系統在控制過程中不具備反饋能力，在運行過程中容易由于視錯覺造成誤差，難以實現精準控制。

5 結束語

針對當前氣動輕量機械臂伺服控制系統出現的穩定性差、控制效果不理想等問題，設計了基于JAVA技術平臺的氣動輕量機械臂伺服控制系統，通過硬件設計和軟件設計完善系統功能，實驗結果表明，所提方法設計的伺服控制系統具有較好的應用性能，針對機械臂的非線性運動信號能夠及時反饋，且運行穩定性高、誤差小，適用于氣動輕量機械臂的生產中。所提方法設計的氣動輕量機械臂伺服控制系統在低電壓工作環境下的適應性不強，可能出現指令生成緩慢等現象，其整體適應性還需進一步增強。