基于擾動觀測器的機械臂自適應復合控制與設計研究

傅彩虹

（江蘇省無錫交通高等職業技術學校，無錫 214151）

機器人是一種非線性、強耦合、時變多以及輸入多的輸出系統[1]。因為系統本身具有一定的復雜性，所以設計其控制器具有一定的挑戰性。實際情況中存在一系列不確定因素，導致機器人系統很難獲得精準的動力學模型，以模型為基礎的非線性控制應用效果不是很理想。傳統控制策略需要對機器人非線性系統提出線性假設，會對系統精度和控制穩定性產生不利影響。擾動觀測器對于處理不確定的擾動具有一定效用，所以研究機械臂的自適應控制系統設計，對于優化機械臂控制效果具有積極作用。

1 擾動觀測器概述

目前，擾動觀測器在很多非線性系統不確定擾動處理中具有很好的應用效果，可借助擾動觀測器解決機器人系統的摩擦力補償問題。一些學者在研究中設計了基于擾動觀測器的自適應神經網絡控制策略，以應對機器人控制中的時滯效應。在控制器設計中，忽略未知擾動到來的干擾，會對機械臂的跟蹤精度產生不良影響。目前，研究結合非線性系統設計擾動觀測器的成果較少。

近年來，神經網絡控制方法和傳統自適應控制對于解決有線性參數的不確定非線性系統問題有一定作用，但神經網絡很難處理包含非參數系統的不確定性[2]。所以，結合自適應神經網絡和擾動觀測器解決系統模型未知部分和系統未知擾動，通過神經網絡的在線學習能力，學習不確定模型的基本操作，結合相應自適應率，驗證閉環系統誤差信號半全局一致有界[3]。通過跟蹤控制算法和機器人仿真應用，并借助計算機提供神經網絡位置補償量。計算機借助用戶數據報協議接收信息并產生機器人控制信號，提升了系統的運算能力和響應能力，可在實驗對比中驗證控制算法的有效性。

2 基于擾動觀測器的機械臂自適應復合控制系統設計

機械臂設計中，選擇底盤四輪獨立縱臂懸掛方式，確保相應驅動輪能夠在機器人的多環境移動中始終保持和地面的充分接觸。在機器人行進路線設計中，應用慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和Kinect融合算法確保機器行駛路線精準，保證機器人移動方向準確，做好距離控制[4]。機器人設計中，利用激光雷達進行定位，為機器人提供導航服務。將機器人與計算機對接，借助計算機中央處理器控制機器人的行進速度，以有效緩解設備在機器人上的負載，使機器人能夠輕松工作。系統電機全部加入速度環和電流環，以保證速度誤差和機器人功率控制效果。在點位電機中設置位置環，確保機器人運動方向。機器人底盤四輪和四面之間需保持一定的距離，以提升設備前進的穩定性。4個底盤控制都應以模糊控制系統為主，實現對四輪轉速速率的有效控制，防止機器人在前進中不按要求走直線或者不按要求轉向[5]。圖1為設計的機器人自適應控制結構圖。

圖1 機器人自適應控制結構圖

具體控制包含眾多控制設備和通信模塊，不僅可以有效檢測機器人的控制效果，還能確保實現集中控制。設計系統時，主要以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為主控單元，以相關數據傳輸網絡為基礎，通過PLC控制實現設備、運行等全流程控制。啟動控制系統前，需在集控臺發布信息。若現場情況滿足啟動需要，則自動啟動。系統控制中以自動控制為主，相關設備工藝要求順序以及流程對中央控制臺進行啟停操作。系統控制也設置有手動控制模式，以確保中央控制臺對設備的控制，避免出現閉鎖情況。系統需要做好對機器人的集中監控，監控設備運行狀態和及時處理異常信號的報警。在該機械臂控制系統設計中，應用輸入/輸出（Input/Output，I/O）控制系統在故障診斷系統中增設主控計算機，在現場設計前端數據采集設備，通過以太網接口和主控計算機實現有效的數據通信操作，并借助主控計算機及時發送相關控制信號，做好現場設備的操控[6]。

前端設備數據采集對于系統功能實現意義重大。該系統負責數據采集的設備有4個。4個信號采集設備與一體化設備中的電器設備連接，完成二級分布式控制系統的構建[7]。當機電一體化設備運行出現異常情況時，系統能夠及時將故障信號和設備故障名稱傳輸到故障診斷計算機執行相應的故障診斷程序。計算機判斷故障范圍，確定維修步驟和方案，結合系統提示開展故障分析，借助電纜連接需要檢測的故障設備和前端數據采集設備，將信號和故障診斷計算機連接。這樣系統輸入監測設備號后，就可以模擬信號輸入和輸出，分析處理測量結果，確定故障所在位置，并按照系統提示做好必要的板級調換。

3 機械臂自適應避障控制設計思路

機械臂避障規劃設計需要判斷末端執行器是否和工件、其他工件部位等障礙物存在碰撞，需要兼顧小臂、大臂和相關障礙物不會發生碰撞。所以，在直角坐標系中，需要考慮末端執行器和障礙物之間的空間關系，并且將關節連桿和障礙物碰撞關系考慮在內。根據以上的分析，機器人避障路徑規劃可以分成兩種不同的形式——一種是W-空間，另一種是C-空間[8]。前者的運動軌跡相對來說比較直觀，運動更容易實現，但是存在機械臂的各個節點工作可能無法實現機械臂按照原定的軌跡來運動問題。后者的機械臂位置和C-空間能夠一一對應，使得機械臂的各個點能夠與C-空間中的點對應。在行進過程中，相關的障礙物能夠映射到空間，C-空間機械臂和障礙物之間就不會發生碰撞。這種機械臂避障模式的應用優點突出，能夠描述整個C-空間，保證相關障礙空間和機械臂自由空間清晰顯示，方便在空間中找到有效的避障路徑，從而快速找到最優路徑。這種避障算法靈活度好，在改變初始點和目標點位置時，無須重新進行C-空間構建，因此在C-空間構建基礎上可以使用其他性能指標實現優化。

在設計機械臂避障中，要保證機械臂能夠自動識別和規避障礙。可以應用機械臂末端檢測裝置檢測機械臂的具體工作范圍，并得出具體的安全范圍，再進行具體的機械臂安全范圍計算，計算后將相關的計算結果通過傳輸到達控制模塊，并根據牽張反射的基本工作原理準確檢測肌肉長度，確定肌肉長度后對照機械臂的安全工作范圍進行調整，確保設定的具體安全工作范圍滿足實際的工作需要。具體的調節優化設計是通過計算起點和目標點的距離來設計關節運動的有效角度。在上述調節完成后，需要針對機械臂的具體運動軌跡采取分段，保證機械臂在運動過程中能夠實現有效切換，提升機械臂的運動靈活性，保證在安全范圍內完成工作任務。

機械臂作為一種能夠模仿人手和臂的某些動作功能的機械化設備，能夠按照固定程序抓取、搬運物件或者操作工具。機械臂的所有工作都可以通過編程來完成，非常方便。

4 結語

機械臂避障控制是機械臂工作的必備技能。基于擾動觀測器進行機械臂自適應控制設計，需要把握有效的避障路徑優化，可以確保設備安全，提升整體設備的控制效能。