三自由度抓取机械手臂的复合模糊PID控制

王成宝，于少娟, 皇甫宇杰,祁晓阳

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



三自由度抓取机械手臂的复合模糊PID控制

王成宝，于少娟, 皇甫宇杰,祁晓阳

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

由于三自由度机械手能在三维空间中完成升降、平移、旋转等基本指令，针对机械手臂在恶劣环境下的动作灵活性和控制精确性等问题，设计出了一种用于智能清洁小车的机械手样机硬件的三自由度抓取机械手臂，采用复合模糊PID控制以提高控制精度，使机械手臂可以达到准确位置，通过精确夹持障碍物，达到清除路障的目的。在构建三自由度结构及数学建摸的基础上，利用人工智能经验设计了结构合理的模糊PID复合控制器，通过仿真及实物模型实验验证技术方案的有效性，为机械手臂控制器的实际应用提供了理论依据。

模糊PID控制；三自由度机械手臂；智能小车; 舵机

机械手臂是近几十年发展起来的一种高科技自动化设备，是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。可以通过编程来完成许多复杂动作，它的准确性和多自由度，保证了其能在各种不同的环境中工作，机械手臂目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，被广泛运用。近年来，智能清洁小车加装机械手臂用以清除障碍也在进一步研究中[1-5]。此应用场合涉及动作灵活和精确控制问题,部分国内外文献对此也做出了论述,传统单一的开环控制很难有好的效果,本文设计基于三自由度抓取机械手臂的智能清洁小车，并采用了模糊加PID的智能控制，加大了控制精度，使得小车可以准确定位并清除障碍物，上位机采用单片机STC89C52型号，对被控系统进行建模，同时设计了模糊控制规则与PID复合控制，通过仿真和实验表明了复合控制的优势，以及在系统中应用达到更高的精度，更好的效果[6-8]。为清洁小车机械手臂控制器真正走向实用提供了理论依据。

图1 三自由度机械手实物图

Fig.1 Physical map of manipulator with three degrees of freedom

1 三自由度机械手臂数学建模

1.1 机械手臂的机械部件设计

手部、运动机构、控制系统是机械手臂构成的三大部分，其中手部是用于抓取物体，物体的尺寸、大小、形状都需要匹配相对应的机械手，以实现恰当的夹取、托持和吸附，运动机构可以通过旋转和评议达到使机械手到达指定位置的功能。整体系统运转的灵活性和精确性以及应用场合和运动方式的自由度斗鱼运动机构的性能有密切关系，当自由度的维数越高，则机械手臂的功能越强大，应用范围也越广。

清洁小车机械手臂是一种利用舵机驱动并能夹持物体的机构。考虑到本课题设计的模型体积小，重量轻，且机械手臂安装于车体头部，为了防止车体前后不稳，机械手臂的重量不能太大，故机械手的材料采用优质ABS工程塑料制造，抓取的物体最大直径为5 cm，夹持器张开后长度为85 cm，闭合后长度为100 cm.舵机的产品规格如图2所示。

图2 舵机的主要性能参数图

Fig.2 The main performance parameters of the actuator

1.2 机械手臂的数学模型

(1)

θi为从χi-1到χi绕zi轴旋转的角度；

bi-1为zi-1到zi沿χi-1测量的距离；

αi-1为从zi-1到zi绕χi-1旋转的角度；

di为从χi-1到χi沿zi轴测量的距离。

根据连杆的坐标系以及相对应的数据能直接推算出运动学方程式。并且坐标系n相对于0的单个变换矩阵能够根据全部相乘的连杆矩阵推算出来，为：

(2)

2 三自由度机械手臂控制器设计

2.1 机械手臂控制器的硬件设计

选用STC89C51RC单片机作为上位机，其在应用可编程IAP和在系统可编程ISP的特性可以方便进行在线调试。本文所设计的机械手臂通过一个舵机驱动，其控制电路如图3所示。所使用的单片机I/O口先接上拉电阻，然后直接与舵机的控制信号线连接即可。由于单片机I/O口提供的电流有限，无法驱动机械手使用的舵机，所以通过上拉电阻，为舵机提供足够大的驱动电流。

舵机经过PWM信号控制，舵机的控制信号是周期为20 ms，脉冲宽度为1 ms～2 ms，并且呈线性变化的脉宽调制信号，其相对应舵盘的位置为-90°～90°.

图3 舵机的控制电路

Fig.3 Control circuit of the actuator

2.2 机械手臂的复合模糊PID算法

(3)

积分环节会造成积分误差的叠加，引入积分分离就是在误差过大时取消积分作用，当在误差允许的范围内则启动积分，这样就可以消除很大一部分静差，提高控制精度。对积分环节进行离散化，则有：

(4)

模糊控制的专家经验：

图4 模糊PID控制结构框图

Fig.4 Fuzzy PID control structure diagram

3 机械手臂控制仿真实验

由于舵机的输出角度与外界转矩的变化无关，只有改变脉冲信号的宽度才可以改变它的位置。值得注意的是：由于舵机的响应时间非常重要。减少时间有两个方式：1)改变PWM周期能够修改响应时间，2)利用舵机的输出转矩余量来增大角度，从而使舵机的响应速度加快。

3.1 机械手臂控制程序仿真

这里对三自由度一个舵机进行了仿真，在Proteus软件中调用示波器插件，通过查看单片机输出端口的波形和电机转动的角度，来观察单片机的PWM输出情况。

3.2 机械手臂控制器仿真

当输入为带有高频干扰的方波信号时，分别得控制器出经典PID和复合模糊PID算法的仿真结果，如图5所示。

把实验曲线加载到系统中的仿真结果如图6所示。

图7和图8中所示的波形分别与舵机正传、反转相对应，可看出控制器输出的PWM信号满足舵机工作必须的驱动信号。

图5 舵机正转仿真图

Fig.5 Simulation chart of steering gear

图6 舵机反转仿真图

Fig.6 Simulation chart of actuator reverse

图7 经典PID和模糊PID算法的仿真结果

Fig.7 Simulation results of the classical PID and Fuzzy PID

图8 实验曲线加载到系统中的仿真结果

Fig.8 The simulation results of the experimental curves loaded into the system.

3.2 机械手臂控制实验测试

实验中，安装有机械手臂的智能清障小车采用本课题设计的控制器从起始位置开始运动，如图9所示，经红外遥控沿直线向放在A处的障碍物驶去。

图9 机械手臂测试装置位于初始位置A点

Fig.9 The mechanical arm test device located at the initial position of the A point

传感器检测到障碍物并且机械手闭合，如图10所示，当安装在机械手臂前端的点触开关检测到障碍物，机械手闭合夹持障碍物。

图10 机械臂加持障碍物

Fig.10 The mechanical arm blessing obstacles

当机械手夹持障碍物后，配合小车运动，直线行驶向B，如图11所示。

图11 机械臂将障碍物移至B点

Fig.11 The mechanical arm of the barrier to B

由此看出，该控制方法在实际应用时是有效的。

4 总 结

对清洁小车三自由度机械手臂的控制器进行了设计。采用复合模糊PID控制，设计了结构合理的控制器，并采用STC89C52单片机做为系统控制核心，设计了其硬件电路及软件程序。通过控制舵机的扭矩，从而控制机械手夹持障碍物，配合小车运动，达到清除障碍物的目的。通过仿真和模拟实验结果证明了技术方案的正确性和可行性，为现实生活中抓取机械手臂的生产，控制，研发和应用提供了理论依据。

[1] 周二振，王钰.基于SimMechanics的六自由度机械臂轨迹规划研究[J]. 青岛大学学报,2014(4):18-22.

[2] 张新荣，平昭琪. 基于Udwadia和Kalaba方程的机械臂轨迹跟踪控制[J]. 长安大学学报,2014(1)：115-119.

[3] 吴学礼，刘浩南，许晴.机器人手臂控制系统的设计与研究[J]. 河北科技大学学报,2014(4)：361-365.

[4] 王鸣.基于模糊控制理论的一种PID参数自整定 控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2000,31(1)：14-17.

[5] 潘磊，钱炜. 四自由度机械臂运动学分析及Matlab仿真[J].机械科学与技术, 2013，32(3)：421-425.

[6] LIU YUN-HUI, HIRZINGER G, AKELLA P. Dynamic sliding PID control for tracking of robot manipulators：theory and experiments[J]. Robotics and Automation, IEEE Transactions on. 2003, 19(6)：967-976..

[7] PENG W, LIN Z, SU J. Computed torque control based composite nonlinear feedback controller for robot manipulators with bounded torques [J]. Control Theory & Applications, IET. 2009, 3(6)：701-711.

[8] 兖文宇,于少娟,郭志坚.SPWM逆变器复合控制策略研究[J].太原科技大学学报， 2013,34(6):410-414.

Compound Fuzzy-PID Controller of Robotic Grab Arm with Three Degrees of Freedom

WANG Cheng-bao, YU Shao-juan , HUANGFU Yu-jie, QI Xiao-yang

(College of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology Taiyuan, China 030024)

Due to the three degree of freedom manipulator can complete the lifting, translation, rotation and other basic instructions in three-dimensional space, for the problem of flexibility and accuracy of mechanical arm in the harsh environment, a robotic grab arm with three degrees of freedom used for intelligent cleaning trolley is designed, which adopted compound fuzzy-PID control to improve control precision, so that the mechanical arm can reach the accurate position, and the goal of removing the barrier is achieved by accurately holding the obstacles. A well-constructed Fuzzy-PID controller is designed by using experience of artificial intelligence on the basis of the three degree of freedom structure and mathematical model. The validity of the technical scheme is verified by the simulation and the physical model experiment, which provides a theoretical basis for the practical application of the robot arm controller.

fuzzy-PID control, three degrees of freedom mechanical arm, intelligent cleaning trolley, steering gear

1673-2057(2016)06-0419-06

2016-01-25

省级UIT项目(2014287)；山西省高校教改项目(J2011130) ; 山西省高校教改项目(J2013064)，校研究生教改项目(20144009)

王成宝(1993-)，男，主要研究方向为电气工程及其自动化。通信作者：于少娟教授，E-mail:13303413533@189.cn

TM461

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.001