采摘机械臂自适应输入整形控制研究

黄鑫澳

摘要：农业装备从机械化到智能化的跨越正在加快，农用采摘机器人的应用也越来越广泛.在鲜食蔬果中，番茄是采摘难度最大的果蔬种类之一.番茄果实密集生长相互触碰，且果皮柔软易破，因此夹剪一体式采摘机器人成为了主流.采摘作业时，末端执行器接触到番茄穗所在主枝干后，并拢夹住切断果茎，而后运输到指定位置.但在移动过程中，往往发生果实的掉落问题，其中果穗的抖动，是掉落的重要原因之一.因此，如何抑制果穗运输过程中的抖动，是提高采摘成功率的关键。基于此，对采摘机械臂自适应输入整形控制进行研究，仅供参考。

关键词：采摘机械臂;可变柔性负载;振动控制

引言

机械臂是一种多输入、多输出且具有时变性、时滞性和高度耦合性的复杂非线性系统。机器臂系统的不确定性可能会导致依据该模型构造的控制器性能降低，甚至不稳定。在控制器设计时，很多控制策略都会有局限性，这将会对机械臂系统输出跟踪期望轨迹的实现带来巨大影响。因此机械臂系统中存在不确定项难以避免地会导致系统的性能大大降低。神经网络应用在机械臂运动控制中，可以处理机械臂系统模型中的不确定性，还能对它进行实时控制。

1输入整形概述

输入整形（InputShaping）作为一种前馈控制方法，能实现柔性结构的振动抑制.20世纪50年代，伯利克大学Smith在悬垂物的移动实验中，发明Posicast控制方法消除残余振动.90年代中期，麻省理工学院的Singer等学者改进了这种方法，并将之称为输入整形技术.其后，国内外专家学者对输入整形器的研究相当活跃，并取得了丰硕的成果。把输入整形从单输入单输出系统，扩展到多输入多输出系统.在闭环回路中加入Smith预测器，克服输入整形器造成的时间延迟;针对汽车生产线中的装配机器人，提出一种鲁棒性较强的整形器，对移动中的车体执行车轮装配任务;把输入整形技术应用到医用X光机上，实现零相位误差周期信号的跟踪;对一类带有完整约束的双吊车系统进行分析，根据求取的振荡周期设计出合适的输入整形器;提出一种基于S型曲线轨迹生成法，实现旋转起重机两级残留摆角的抑制;基于输入整形算法针对深海起重机系统提出了一种实时轨迹规划方法，有效抑制了负载摆动;通过引入基函数参数化的前馈控制器和输入整形滤波器，消除期望轨迹引入的扰动。

2柔性机械臂

是一个非线性的复杂系统，它广泛的应用于航天探索、工业装配等领域。相比较于传统的刚性机械臂，柔性机械臂具有回转半径更大和轻质的特点。目前，关于柔性机械臂建模的方法主要分为假设模态法和有限元法两大类。使用假设模态法建立了转角与模态坐标相耦合的柔性机械臂的动力学方程;使用有限元法建立包含柔性关节的柔性机械臂动力学方程。在柔性机械臂的动力学建模过程中，往往假设柔性机械臂在水平面运动。但是，在一些实际的柔性机械臂应用过程中需要考虑重力因素。在双柔性机械臂建模过程中将重力因素予以考虑。在含有柔性关节的机械臂伺服系统建模过程中将重力因素予以考虑。重力被引入动力学方程，因此在柔性机械臂动力学建模的过程中需要考虑重力因素。

3硬件结构设计

系统硬件包括上位机、主控制板及舵机三部分构成，其中上位机触摸屏通信接口具有通信协议兼容性好，接口简单，交互方式方便、直接、快捷的特点，适用于各类型控制器，其不仅承载了控制系统与外部交互的作用，且确保了控制系统的安全、稳定运行。实际运行中，工作人员可通过触摸屏实时监控包装机的运行状况，同时可通过触摸屏输入控制指令及工艺参数。Arduino主控板作为系统核心，采用ATmegal280单片机作为处理单元，与PC机通过RS232通信，采用在线控制计算机实现功能选择。主控板完成机械臂运行参数的实时调整控制，同时基于RF模块将信息传输到控制板并生成脉宽调制信号。通过传输信号的差异化时间控制完成多伺服舵机协作。

4控制策略

4.1机械臂柔性负载控制系统

为了验证本文提出方法的有效性，以单个西红柿作为负载，西红柿果茎作为柔性连杆，将自适应控制算法应用于采摘机械臂抓取西红柿果茎的振动抑制中。

4.2意外碰撞仿真实验

当检测到意外碰撞发生时，机械臂应立刻激活安全控制策略以保障人机接触安全。为此，意外碰撞仿真实验以机械臂无控制策略作为对照组，分别使用阻抗控制及速度控制两种策略来处理意外碰撞，在不采用控制策略条件下，机械臂与外部环境发生意外碰撞接触后继续向目标位置前进，随着来自环境的阻力不断增大，机械臂与环境之间的接触力也不断增大;在采用阻抗控制策略条件下，当机械臂与外部环境发生接触后，该控制机制立即产生一个位置修正反馈以驱使机械臂逃离碰撞，最终机械臂和外部环境之间维持一个较小的稳定接触力;在采用速度控制策略条件下，当意外碰撞发生时，机械臂与外部环境之间的接触力触发速度控制机制，使得机械臂可以快速地遠离接触力源，直至接触力衰减为0后停止运行。由此可见，在意外碰撞发生时，采用阻抗控制策略或速度控制策略都能使机械臂快速逃离碰撞物以降低碰撞作用力。从图7中还注意到，虽然采用阻抗控制策略或速度控制策略都能降低机械臂与外部环境之间的碰撞力，但由于阻抗控制策略本身的局限性，最终机械臂与外部环境之间的接触力不为0，没有达到所设置的接触力期望值，故而需要在对力误差产生原因进行分析的基础上进一步改进阻抗控制策略。

结束语

随着智能机器人的发展，作为机器人的重要组成部分，机械臂的设计与控制是研究的关键。考虑到成本与控制因素，轻型机械臂设计多采用两种方案，一种为传统电机与减速器驱动的方案，如ASIMO和Sophia，负载较小，便于控制。

参考文献：

[1]林高荣.多关节机械臂系统的指令滤波反步阻抗控制[D].青岛大学，2021.

[2]王冬冬.柔性关节机械臂系统的自适应反步控制研究[D].青岛大学，2021.

[3]朱光耀.全向移动机械臂的无标定视觉拾取控制系统设计[D].青岛科技大学，2021.