气动轻量型机械臂伺服控制系统和碰撞检测

李 伟 孙明旭 王玉军

（首都航天机械有限公司，北京100076）

近年来，我国老龄化趋势更加严重，为了提高自身生活水平，以护理功能为主的机器人被研发和推广，尤其在娱乐和教育领域的机械人发展前景良好。不确定的环境加大了对机器人结构设计的要求，要想满足机器人设计和发展要求，应将轻量化作为主要发展方向。气压驱动机械臂可为人机交互的实现提供条件，将交互控制和防碰撞作为机器人主要研究内容，可实现服务型机器人在各个领域的有效推广。

1 气动轻量型机械臂设计方案和建模

机械臂轻量化是为了满足服务型机器人在社会中满足不同领域的使用要求，结构小巧、灵活轻便的机械臂在文教娱乐、人机协作等方面有着重要应用意义。首先，要选择轻质材料，如钛合金、铝合金、聚四氟乙烯等，其次要进行结构优化设计，如中空的结构设计，是实现轻量化的有效举措。各轴间的线缆要在机械臂内部完成走线，能保证线缆运动范围不受各轴影响。最后，要利用外形小、质量轻的电机作为驱动装置，可降低机械臂传动过程中的复杂性，由此在简化机械臂方案设计的同时，确保机械臂运动范围较大。除了轻量化外，机械臂设计还要满足柔顺控制要求。这一控制是指通过力传感器收集控制信号，以这类信号操控机械人行动。通常采用力传感器、视觉传感器来采集外界环境变化信息，然后将信号反馈至控制中心，根据外界变化操控机器人。上述设计要求都是实现机械臂有效设计的准则，也是进行机械臂设计的重要依据。为了适应人机协作机器人设计要求，本文对传统电机驱动下的机械臂进行研究，将其分成并联型机器人和串联型机器人两种，代表性的包括delta 型机器人和stewart 型机器人，在产品抓取和航空航天领域取得广泛运用。另外，串联型机器人是较为常见的机器人构型，在生产领域有着重要应用。分析各类机器人结构特点，并结合机械器特点，可发现scara 机械臂构型较为灵活，能实现快速移动，定位精准性高。因此，本文选择scara 型布置形式。从以上阐述可知，气动机械臂应是一个质量轻、结构简单的设备，在节点设计上，要将以小臂和大臂共同组成的机械臂作为研究对象，考虑到机械臂设计时的轻量化要求，应优先选择半中空构型，有利于走线布置，还能在保证结构强度的前提下减轻整机质量[1]。另外，在关节位置应选择摆动气缸为驱动装置，去除减速机构、联轴器等，简化机械臂内部结构。整机应采用铝合金材料，降低整体重量并达到较高机械强度。在选择气动关节时，应充分考虑位置伺服控制的简化和驱动效果较好，这里选用摆动气缸来进行驱动。

2 机械臂伺服控制系统研究

2.1 气动伺服龙之系统研究软件和研究流程

这里主要针对伺服控制系统的算法进行研究，利用sinmulink软件完成建模和算法设计，借助仿真机进行样机控制，可提高算法可靠性。在这一软件平台上设计算法，能减少编程时间，降低程序修正的复杂程度，还能快速完成算法调试。另外，利用半实物仿真系统，可让控制算法在真实作业情况下进行检验。仿真平台将程序转变成C代码，然后转变成用于采集卡收集的信号实施样机控制。目前为了缩短研发周期，顺应市场需求，应在研发开始阶段便制定合理的研究方案，因此，本文在研究机械臂伺服系统控制算法时，制定相应的研究流程，严格执行操作流程。具体的流程图如下。

图1 控制系统研究流程图

执行以上研究流程，根据气动机械臂设计要求，机械臂响应速度应在0.5s 之内；关节角度精度要在±3°以内，位置精度控制在±2mm 之内；机械臂运动中不能出现抖动、突变等现象，要求其具有较高抗干扰能力。

2.2 加速度的反馈校正

气动技术主要优点表现在柔性好，使得气动技术在柔性场合中取得广泛运用，是气动轻量机械臂设计要点。例如，助力机械臂、康复机器人等，在这些设计场合中使用气动技术能完成作业任务，同时可保证使用安全和环境保护。但是柔性同样是启动技术用于驱动机械臂关节时的一大弊端。在低压情况下，气体强压缩性在伺服控制系统中更加明显。在伺服系统中，由于受到气体这一属性影响，将出现低阻尼比，导致系统响应不稳定。解决这一问题的方法有以下两种：一是改进硬件条件。但是这一做法成本较高，因此是不可取的；二是优化控制算法。是指在伺服系统中添加校正方法，不断提升系统性能，提高其稳定性。根据控制理论，在系统中加入加速度和速度反馈可达到校正目的，加速度反馈与系统阻尼比有关，加入这一反馈可提高阻尼比，而速度反馈能起到提高系统刚度的作用。因此，本文采取加速度反馈的方法，提高机械臂伺服系统的整体刚度。

2.3 摩擦力前馈控制算法

摩擦力是指两个接触的物体产生相对运动后产生的力，相关学者针对气缸摩擦力进行了大量研究。从stribeck 摩擦力理论来看，可建立气缸摩擦力矩模型，将摩擦力分成四个阶段，深入探讨不同阶段对应的控制算法，本文在对stribeck 算法进行改进后，使其用于气缸摩擦力模型计算中。根据模型分析，我们了解到摩擦力矩具有较强非线性，这种因素会对系统运行产生一定影响，导致系统稳定性差[2]。在实际工程中，低速阶段气缸出现爬行现象的主要原因在于摩擦力是非线性的。在摆动气缸使用中，低速阶段是摩擦力从静到动的过程，这两者摩擦力矩形成的差值是气缸出现爬行的主要原因。由于宏观运动的不连续性将降低系统运动稳定性和定位精确度。总的来说，爬行现象产生原因为气缸从静止至开始运动前，受到摩擦力作用，轻量机械臂保持不动，随着偏差量增加，则内部压差形成的驱动力超过静摩擦力后，驱使系统开始运动。根据以上阐述，我们应采用一种补偿方法解决系统不稳定问题。大多数学者倾向于采取摩擦力前馈控制方法进行补偿，当前馈补偿传递参数和闭环系统中的传递函数倒数相同时，可完全消除摩擦力对系统的影响。从实际情况来看，本文在进行摩擦力补偿时，通过实验计算摩擦力矩，并根据观测值确定前馈系数，然后对系统进行补偿，试验表明，当选择适宜的前馈系统时，可避免由于摩擦力距造成的系统不稳定缺陷。

3 气动轻量型机械臂的碰撞检测方法分析

目前相关文献中还没有关于气动轻量机械臂的碰撞检测方式，这里从电机驱动机械臂碰撞试验来讨论。通常将碰撞检测分成非接触式传感器和接触式传感器两种。前者是通过超声波传感器和视觉传感器等，检测机械臂和其他物体间的距离，判断是否产生碰撞。后者是检测碰撞力矩，属于一种柔顺控制方法。具体方法如下：外部力觉传感器加检测[3]。如博世公司apas 人机协作系统便采用这一检测方法，ur 机器人主要采取关节摩擦力矩的检测方法；电流环检测。该方法是指检测碰撞时的电流变化情况，识别碰撞时摩擦力矩大小，具有容易实现、成本低等优点，但是检测结果容易受到外部因素影响，精确度较低。通过上述分析，本文结合了摆动气缸特点，利用气压传感器方法，快速检测出是否产生碰撞力，通过估计外部扰动力矩进行检测，可根据动力学方程确定力矩大小。但是实际计算结果和碰撞力矩之间存在差异，因此，应将提高碰撞力矩计算精确度作为研究重点，从计算方程式来看，在惯性项要确定加速度，这时应进行位移量的二次微分，由此会带来噪声信号。从这一角度看，为了保证伺服控制系统运行稳定性，应利用滤波器确保信号的准确性，提高气动轻量机械臂碰撞检测有效性。

4 结论

综上所述，本文主要针对二自由度机械臂设计和碰撞检测方法的研究，建立机械臂动力学模型和运动学模型，对这一机械臂进行伺服控制系统分析，提出加速度反馈和摩擦阻力前馈补充控制模型，还利用摩擦力矩检测器，旨在提高摩擦力补偿精确性。利用相关软件建立分析模型，进行试验分析后，可提出有效的控制方法，最大程度提高轻量型机械臂的防碰撞性能。