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机器人手臂自动控制的优化设计与仿真

买楚源
摘 要 机器人手臂自动控制中，若控制速度较快或命令过于频繁，其手臂转动惯量会有所加大，严重干扰控制过程，以往所采用的手臂控制方式，以降低要求和性能解决以上问题，但应用弊端仍然较大。设计新型机器人手臂控制方式，首先需分析操作空间末端效应器启发式信息，建立初始模型，按照其手臂抓取运动规划，修改其初始前向变量，再给出总动量方程式，优化动量维度，实施动量控制，建立分解动量控制矩证，进而实现控制。
关键词 机器人；手臂控制；优化
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）229-0171-02
目前我国科技水平不断提高，创新能力提升速度较快，其微型机器人在不同行业领域得到了广泛应用，并有助于人们生产生活水平的上升，研究机器人相关优化设计，并对其仿真能力进行提高具有积极意义。目前机器人控制系统具有高阶、非线性、多自由度等特点，其系统有较大的不稳定性，而机器人手臂自动控制系统对整体功能有重大影？响[ 1 ]。对手臂系统进行设计并提高其精确性需要及时解决。该问题在领域内受到了广泛关注，业内人士同样提出了许多有效的解决方法。
有研究表明[2]，使用宽带零中解调能够实现机器人手臂自动控制，提高系统能力。此方法具有便利性，设计方案复杂度低，但出现了设计误差较大的问题。有相关人员提出[3]，将自动控制设计方法在PID控制基础上。设计中通过PID对机器人手臂控制回路进行控制，对于其中产生不良影响的因素通过高频放大方式干扰，其设计方式具有可行性，其自动控制设计方案较为理想。方案有实现时间短的优点，但方案中对手臂自动控制忽略了对抓取动作的规划，造成手臂抓取动作不能够实现物体的精确抓取，同时运动控制精度不高、精度误差问题较为严重。有研究从PID控制设计上进行优化[4-5]，主要利用拉格朗日平衡法，对机械臂瞬时传递函数进行设定，随后将手臂关节中瞬时PID控制各参数整定。本文提出的优化方法同样实现了对机器人手臂自动控制的目的，解决了精确度误差，但有计算流程繁琐，浪费时间问题。
本研究研究据机器人末端效应器位姿状态设定初始位形，后对手臂控制初始模型进行设计，随后着重抓取运动规划，与手臂促使前向变量进行分析，将分解动量控制方法应用于方案中，建立起机器人手臂分解动量控制矩阵，方案注重时间与精度的协调，使用ARM系统硬件进行方案的设计。
1 机器人手臂自动控制设计原理
机器人整个控制系统中含有手臂控制器结构，其中含有直流减速电机、螺杆、角度传感、减速齿轮等多个零件。零件中手臂与机械螺杆连接，减速齿轮耦合螺杆与直流减速电机，同时在多个手臂控制器的协调下，对电机进行转动控制，对机器人手臂进行控制，具体步骤以下进行详细阐述：
对于机器人手臂关节电机瞬时传递函数表示？如下：
其中，La表达控制反电势系数，dia表关节运动角度限制，dt为手臂负载转矩，Raia表达手臂中电动机转矩系数，Ea表关节电机负载转动惯量，Ua表手臂位能。
2 机器人手臂自动控制设计的优化原理
机器人手臂控制初始模型建立。为提高机器人抓取动作控制的精确性，本部分对精度问题进行优化设计，以解决精度误差。根据机器人操作空间末端效应器位置状态中的启发式性信息建立初始模型，并对手臂抓取动作作优化，将控制系统中初始前变量改动操作。
其手臂自动控制优化设计用以下公式表示：
通过以上公式对于机器人手臂自动控制优化，根据机器人于操作孔间末端效应器位置状态中启发式信息进行分析，对手臂控制初始模型进行建立，根据抓取运动规划将修改机器人控制初始前变量，从而对原有控制方案存在的一定缺陷进行优化，实现了手臂自动控制的优化设计。
3 实验及仿真证明
为证明其方案设计的有效性，将本文中提出的方案在ARM基础上进行进行检验。研究将对不同的控制方案，并于MATLAB？R2008b对手臂控制实验平台进行设立，机器人双手臂相关参数见表1。
本实验中，研究通过手臂末端执行器对9个连续位置点进行设定，并将其距离设置为180mm，随后将运动相关指令输入在机器人手臂进行末端执行器实际运动时，将其使用仪器进行计算，并计算器设定点与控制位置中误差范围。并利用两种算法：传统算法、改进算法，对机器人手臂自动控制进行试验，通过两种不同算法对机器人手臂在实验中产生的误差进行对比，从而对两种算法的设计有效性进行验证，详见表2。从表中可以看出，改进算法明显优于传统算法，优化了设计方案。
在进行算法实验后，再利用两种算法进行手臂自动控制设计实验，对关节角速度与控制曲线相比，对比结果如下。
從图1可以看出，改进算法能够对手臂自动控制问题有良好的解决，且稳定性较高比传统算法具有明显优势，改进算法控制具有较高的有效性。通过仿真实验表明，本次研究基于ARM控制的手臂设计方案能够提高精确度。
4 结论
综上所述，对于在ARM系统基础上的手臂自动控制设计方案可行度高，其研究过程根据操作空间末端效应器中启发信息，而对手臂控制系统进行组建，同时根据对手臂抓取动作进行分析，实现对机器手臂初始前向变量修改，对总动量方程进行计算，并优化选取方案，使重要动量维度行动量控制融于分解动量控制方法，实现对机器人手臂动量控制建立。本优化方案针对手臂自动控制方案进行了优化，提高了机器人手臂精度，具有较高的鲁棒性，具有一定的研究价值。同样存在一定缺陷，如手臂抓取动作控制的精确性有待进一步提高。
参考文献
[1]丰焕亭.机器人手臂自动控制的优化设计与仿真[J].计算机仿真，2016，33（3）：264-267.
[2]郭盛，于智远，曲海波.轻型抓取机器人的优化设计与路径规划[J].北京交通大学学报，2017，41（1）：101-106.
[3]郭鹏，房灵申，赵明扬，等.基于扩展任务的双臂机器人位姿优化[J].组合机床与自动化加工技术，2018（1）：8-12.
[4]李峰平，张正亚，周斯加.修边机器人的夹紧机构优化设计及运动分析[J].中国机械工程，2016，27（3）：387-390.
[5]Luc Jaulin.机器人自动化：建模、仿真与控制[M].北京：机械工业出版社，2017.

-全文完-