基于大數(shù)據(jù)聚類的搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛開梅,鄒 星

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院,陜西 西安 710014;2.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處,陜西 西安 710014)

0 引言

機(jī)器人作為一種集計(jì)算機(jī)、傳感器和機(jī)器視覺等多項(xiàng)技術(shù)于一體的智能產(chǎn)物,可替代人類完成某些工作,將人類從復(fù)雜程度高、環(huán)境危險(xiǎn)和重復(fù)性強(qiáng)的勞動(dòng)作業(yè)中解脫出來。其中,搬運(yùn)機(jī)器人作為現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的種類,能夠根據(jù)預(yù)先的程序進(jìn)行系統(tǒng)化搬運(yùn)任務(wù),可24 h不間斷作業(yè),降低物流企業(yè)運(yùn)行成本。但大型貨物搬運(yùn)機(jī)器人不適用于現(xiàn)階段多元化的物流工作,現(xiàn)在較多的貨物相對更加小巧,能夠承受的抓取壓力也更低。機(jī)器人不僅要能抓取并對貨物進(jìn)行移動(dòng),還要控制抓取的力度[1],防止貨品被擠壓損壞。為此,對搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端進(jìn)行控制具有重要意義。

文獻(xiàn)[2]提出基于PLC編程思想,使用步進(jìn)電機(jī)對機(jī)器人末端進(jìn)行三自由度動(dòng)作控制,該方法可有效提高采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的控制精度,但該方法只針對某一類型貨物進(jìn)行壓力控制參數(shù)設(shè)置,無法應(yīng)對現(xiàn)在多元化、多種類的物流搬運(yùn)工作;文獻(xiàn)[3]根據(jù)視覺反饋原理,利用高速相機(jī)明確機(jī)器人的末端與期望軌跡的圖像位置偏差,實(shí)現(xiàn)抓取方向和速度的控制,該方法可有效提高機(jī)器人的工作效率,但在實(shí)際應(yīng)用中,所需成本較高,不利于大規(guī)模應(yīng)用。

為此,本文設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)聚類的搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng),通過主控制器和驅(qū)動(dòng)控制器保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行,利用紅外掃描裝置感知貨物位置,采用FRS-402敏感電阻控制機(jī)器人抓取貨物壓力,并通過大數(shù)據(jù)聚類[4-5]將控制信號進(jìn)行擬合,使系統(tǒng)控制輸出結(jié)果無限趨近于理想值,最大程度降低了人力成本,實(shí)現(xiàn)抓取末端自動(dòng)化控制。

1 搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

搬運(yùn)機(jī)器人在執(zhí)行貨物抓取工作時(shí),需先使用機(jī)器視覺確定貨物的大致空間位置,通過主動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器到相應(yīng)位置,而末端執(zhí)行器內(nèi)需具備傳感設(shè)備,用于確定貨物是否在末端執(zhí)行器的抓取范圍內(nèi),同時(shí)判斷使用的抓取壓力大小[6]。在此基礎(chǔ)上,還要保證末端執(zhí)行器在進(jìn)行抓取任務(wù)時(shí),其他貨物沒有阻礙機(jī)器人移動(dòng)軌跡,避免發(fā)生碰撞事故。為此,整個(gè)系統(tǒng)需要具備機(jī)器視覺定位、壓力傳感反饋和路徑防碰撞等多種功能[7-8],來增強(qiáng)搬運(yùn)機(jī)器人對環(huán)境和貨物的感知能力,更好地完成自適應(yīng)貨物抓取和搬運(yùn)工作。

基于此,搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件,其中硬件有主控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、貨物位置感知器和抓取末端壓力傳感器;軟件有基于大數(shù)據(jù)聚類的控制信號擬合和抓取末端控制算法2部分。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng)整體框架

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 主控制器

主控制器主要用于控制搬運(yùn)機(jī)器人根據(jù)貨物空間信息向相應(yīng)方向移動(dòng),同時(shí)躲避障礙物,防止碰撞。主控制器具有28個(gè)I/O端口,用于統(tǒng)籌驅(qū)動(dòng)控制器、貨物位置感知器和抓取末端壓力傳感器傳回的信息;2個(gè)16 bit定時(shí)器,為了保持機(jī)器人在移動(dòng)和靜止時(shí)姿態(tài)平穩(wěn);3個(gè)USART通信接口,可以集成末端執(zhí)行器、機(jī)器視覺數(shù)據(jù);核心控制芯片為STM32F,并行處理能力強(qiáng),可同時(shí)進(jìn)行避障移動(dòng)、抓取獲取搬運(yùn)等多項(xiàng)工作,且內(nèi)部集成原件豐富,耗能少,支持外部USB擴(kuò)展,方便后續(xù)系統(tǒng)升級和維護(hù),該芯片還集成了512 Byte的閃存以及臨時(shí)儲(chǔ)存,20個(gè)雙向按鍵接口;1個(gè)32 bit的緊急制動(dòng)裝置;4個(gè)IC接口。

1.1.2 驅(qū)動(dòng)控制器

主控制器只負(fù)責(zé)根據(jù)機(jī)器視覺規(guī)劃出一條沒有障礙物阻擋的搬運(yùn)軌跡,不直接驅(qū)動(dòng)末端指定器到達(dá)指定位置。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)控制器,憑借直流電機(jī)的大馬力扭矩保證機(jī)器人的平穩(wěn)移動(dòng)。且將2個(gè)電機(jī)分布在機(jī)身兩側(cè),每個(gè)電機(jī)分別獨(dú)立負(fù)責(zé)在搬運(yùn)過程中的機(jī)器人移動(dòng)方向和速度。

驅(qū)動(dòng)控制器的內(nèi)置電路為橋型,一方面能夠檢測和控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),另一方面能夠憑借三極管控制電機(jī)翻轉(zhuǎn),一旦任意電機(jī)發(fā)生勵(lì)磁事故,PWM脈沖也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)波動(dòng),電機(jī)的速度可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制[9]。

使用DBH-03型的雙路驅(qū)動(dòng)設(shè)備,能夠以不同速度進(jìn)行平穩(wěn)移動(dòng),內(nèi)置的光耦離合器能夠降低搬運(yùn)環(huán)境內(nèi)其他貨物對機(jī)器人的干擾,并實(shí)現(xiàn)短距離有效制動(dòng)。固定電壓為8～18 V,極限電壓為22 V。

1.1.3 貨物位置感知器

當(dāng)抓取末端在貨物30 cm內(nèi),主控制器的機(jī)器視覺將無法準(zhǔn)確感知末端與貨物的距離,為了保證貨物始終處于末端執(zhí)行器的內(nèi)部,在末端執(zhí)行器內(nèi)安裝紅外掃描裝置和集成鎖相環(huán)路解碼器LM567等,將末端執(zhí)行器內(nèi)部的貨物信息和位置信息精準(zhǔn)傳輸給主控制程序。

紅外發(fā)光管的接收端和發(fā)射端處于執(zhí)行器抓手的末端,當(dāng)貨物沒有進(jìn)入執(zhí)行器內(nèi)部時(shí),接收端能夠獲得紅外線輸出端發(fā)出的信號,這時(shí)輸出端為低電平,主控制器繼續(xù)驅(qū)動(dòng)末端抓取貨物;如果貨物處于執(zhí)行器內(nèi)部,那么接收端發(fā)射出來的紅外信號將會(huì)被貨物遮擋,接收端得不到紅外信號,這時(shí)輸出端為高電平,數(shù)據(jù)會(huì)通過暫時(shí)儲(chǔ)存卡傳輸?shù)叫盘柤芍行?主控制器來控制末端進(jìn)行抓取動(dòng)作。

1.1.4 抓取末端壓力傳感器

搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器在抓握貨物時(shí),會(huì)與物品發(fā)生碰撞,考慮到機(jī)器的使用壽命,機(jī)器人使用的是合金構(gòu)件,具有質(zhì)量輕、硬度大和剛度大的優(yōu)勢,也是因?yàn)閯偠却?所以碰撞會(huì)對貨物造成一定傷害,且金屬表面光滑,摩擦力也較小。因此,在末端執(zhí)行器內(nèi)鋪設(shè)一層柔性橡膠[10-11],能夠吸收抓握碰撞力的同時(shí)提高與貨物的摩擦力,使摩擦系數(shù)增大到0.5,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取。

同時(shí)為最大程度實(shí)現(xiàn)貨物的無損抓取,在末端的壓力傳感器必須具有體積小、反應(yīng)靈敏的特點(diǎn),為此,選擇了FRS-402敏感電阻,當(dāng)執(zhí)行器末端裝置存在接觸壓力時(shí),力敏感電阻值便會(huì)降低,可承受1～500 N的壓力,且接觸力與電阻值變換呈線性關(guān)系,便于抓取控制算法計(jì)算。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 基于大數(shù)據(jù)聚類的控制信號擬合

由于硬件得到的機(jī)械視覺圖像、貨物空間信息和抓取壓力反饋值等信息屬性多元,數(shù)據(jù)所處維度也不一致,為此,使用大數(shù)據(jù)聚類算法[12]將采集和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行線性調(diào)頻信號擬合,降低控制誤差,以便在最短時(shí)間內(nèi)用合適的壓力將貨物抓取搬運(yùn)。

將系統(tǒng)硬件獲得的貨物反饋信息設(shè)定為有限數(shù)據(jù)集合X,且X={x1,x2,…,xn}?R,其中,R為集合中數(shù)據(jù)屬性種類數(shù)[13],n為基于任意范數(shù)的大數(shù)據(jù)聚類矢量空間。若有限數(shù)據(jù)集X的聚類信道擬合因子q的值是0,那么可以得出

(1)

式中:m為聚類迭代次數(shù);sgn為符號函數(shù)。

為獲得最優(yōu)的控制函數(shù),需對聚類中心進(jìn)行迭代收斂,當(dāng)聚類中心處于初始的未知狀態(tài)時(shí),通過信道擬合因子q進(jìn)行非線性調(diào)頻信號映射模擬,提取出更好的數(shù)據(jù)屬性特征,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)聚類。

憑借工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前控制規(guī)則,將系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)屬性信息流進(jìn)行聚類調(diào)頻擬合,可得出屬性特征為

X(i,j)=∑[(iy,jy)-(iy+Δi,jy+Δj)]

(2)

式中:X(i,j)為得出的不同貨物屬性特征信息;Δi、Δj為特征信息中二維度屬性;(iy,jy)為線性調(diào)頻特征。

1.2.2 抓取末端控制算法

機(jī)器人末端的抓取過程可以拆分為:勻速抓取、反饋減速以及應(yīng)力松弛[14]。為能準(zhǔn)確抓取貨物,避免貨物因抓握損壞,設(shè)定F為末端的抓握力,Fmax為最大靜態(tài)抓握力[15],v0為末端的抓取速度。各階段控制如下所述。

a.勻速抓取階段控制。

末端與貨物相接觸的接觸力用f表示,為了穩(wěn)定抓取貨物,抓握力F需要?jiǎng)蛩僭黾又罠max,接觸力f在整個(gè)過程中的變化為

(3)

此階段的初始條件為:f(0)=0,f′(0)=v0·e1,f′表示力對貨物的狀態(tài)改變。

b.反饋減速階段控制。

當(dāng)末端達(dá)到最大靜態(tài)抓握力Fmax時(shí),由于慣性守則,接觸力f仍在增大,這時(shí)Fmax

mex=Fmax-f

(4)

式中:me為末端執(zhí)行器與貨物的等效質(zhì)量;x為貨物質(zhì)量。

若在t0時(shí)刻能夠得到Fmax=f,通過式(3)對時(shí)刻t進(jìn)行求導(dǎo),得到接觸力f在整個(gè)過程中的變化方程為

(5)

此階段的初始條件為:f(t0)=Fmax,x′(t0)=v0,x(t0)=v0·t0。由于式(5)的特征方程值大于0,所以憑借MATLAB求解特征方程,能夠獲得1個(gè)實(shí)根κ1以及2個(gè)共軛復(fù)根α±β,解值為

f=Fmax-Y1eκ1T+eαT(Y1cosβT+Y2sinβT)

(6)

式中:Y1、Y2為力的變化常數(shù);T為t0和t的差值,由反饋減速階段控制初始條件計(jì)算得出。

c.應(yīng)力松弛階段控制。

若末端在t1時(shí)刻執(zhí)行器的速度為0,且貨物與執(zhí)行器間存在最大接觸力fmax,這時(shí)電機(jī)自動(dòng)鎖定,末端不再對貨物施加抓握力,貨物則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛。那么,該階段接觸力變化可以描述為

(7)

此階段的初始條件為:f(t1)=fmax,f′(t1)=

勻速抓取階段的貨物形變量隨時(shí)間推移會(huì)生成線性關(guān)系,在反饋減速階段不會(huì)再發(fā)生形變,為此,將式(4)和式(6)聯(lián)立,憑借MATLAB推導(dǎo)求積分,同時(shí)滿足約束:t=t0,x′=v0,x=v0·t0,獲得應(yīng)力松弛階段貨物形變量和時(shí)間之間的關(guān)系為

x′=Y1eκ1T-eαT(Y1cosβT+Y2sinβT)

(8)

根據(jù)抓取末端的3個(gè)不同階段貨物形變量和時(shí)間的關(guān)系,控制執(zhí)行器的接觸力和關(guān)節(jié)力矩輸出,并憑借大數(shù)據(jù)聚類進(jìn)行信號擬合,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)聚類的搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng)的有效性,選取四爪搬運(yùn)機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)對象,搬運(yùn)機(jī)器人及抓取末端執(zhí)行器如圖2所示。

圖2 搬運(yùn)機(jī)器人及抓取末端執(zhí)行器

為測試本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人末端控制效果,在物流中心倉庫內(nèi)利用搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行貨物搬運(yùn),測試抓取末端控制性能。本次抓取由紙殼箱包裹、重1 kg的貨物,在抓取時(shí)需要著重控制對貨物的壓力,防止出現(xiàn)貨物損壞。

2.1 抓取末端位置誤差分析

為測試搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制精度,對抓取位置誤差進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 抓取位置誤差曲線

由圖3可看出,機(jī)器人僅用時(shí)3.5 s就將抓取位置誤差降低至2 mm左右,末端完全包裹了貨物。這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)使用大數(shù)據(jù)聚類算法,提高了不同控制器間信號擬合效率,能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)和準(zhǔn)確控制,提高機(jī)器人搬運(yùn)效率。

2.2 抓取末端力大小分析

對抓取位置進(jìn)行接觸力大小測試,測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 抓取貨物時(shí)各執(zhí)行器末端接觸力曲線

貨物本身的接觸力為80 N,由于有紙盒包裹,紙盒貨物能承受的接觸力可達(dá)到110 N,通過圖4能夠看出,機(jī)器人的4個(gè)末端執(zhí)行器均將抓取接觸力穩(wěn)定在85～95 N區(qū)間,未超出110 N,證明本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無損搬運(yùn)工作。設(shè)定貨物的屈服極限值為2 550 N·mm,搬運(yùn)機(jī)器人在抓取貨物時(shí),各執(zhí)行器關(guān)節(jié)力矩變化如圖5所示。

圖5 抓取貨物時(shí)各執(zhí)行器關(guān)節(jié)力矩曲線

由于包裹形狀大小不一,機(jī)器人末端在抓取貨物時(shí),4個(gè)末端執(zhí)行器并不是同時(shí)接觸到貨物,所以力矩變化程度也不完全相同。通過圖5可看出,各末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)力矩穩(wěn)定在1 250～1 750 N·mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于貨物的屈服極限值2 550 N·mm,由此可知,本文系統(tǒng)不會(huì)對貨物外觀造成機(jī)械性損傷。

2.3 抓取末端平穩(wěn)性分析

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對執(zhí)行器關(guān)節(jié)位移和速度變化進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 抓取貨物時(shí)執(zhí)行器關(guān)節(jié)位移曲線

圖7 抓取貨物時(shí)執(zhí)行器關(guān)節(jié)速度曲線

通過圖6和圖7的執(zhí)行器空間位移和速度變化曲線能夠看出,曲線平滑且沒有較大波動(dòng),證明本文系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地搬運(yùn)貨物,不會(huì)顛簸貨物,降低了包裹內(nèi)商品受到的損傷,避免搬運(yùn)損耗。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)聚類的搬運(yùn)機(jī)器人抓取末端控制系統(tǒng),利用硬件控制器保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行,通過紅外掃描裝置定位貨物位置,采用FRS-402敏感電阻提高抓取的穩(wěn)定性,在大數(shù)據(jù)聚類信號擬合的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的無損抓取工作,在提高了機(jī)器人工作效率的同時(shí),降低了物流企業(yè)不必要的搬運(yùn)損耗,提升用戶的滿意度,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的流水作業(yè),具有極高的應(yīng)用價(jià)值。