The design of intelligent manipulator movement control system based on T-S fuzzy model.pdf Введение Двурукий робот - это сложная нелинейная система с высоким порядком и сильной связью, которая работает в изменяющейся среде. Большое значение имеют такой координированный робот и реализация его работы с переменной нагрузкой в неструктурированной среде. Однако в неструктурированной среде движение манипулятора трудно контролировать. К настоящему времени создан алгоритм сбора и обработки EMG-сигналов и распознавания жестов, разработана общая структура системы, сконструирован привод манипулятора робота-сборщика и разработана структура привода, а также завершено создание интеллектуальной системы управления роботом-сборщиком, основанной на распознавании жестов [1]. Разработан колесный интеллектуальный робот-сборщик шариков с функциями распознавания и позиционирования бинокулярного зрения, подбора манипулятора и автономного обхода препятствий [2]. Через бинокулярную камеру и платформу лабораторного обзора осуществляются сбор и обработка изображения шарика в реальном времени; система управления движением использует встроенную плату разработки Nu cleo-f411re с ядром stm32f411 для привода каждого модуля. Шарик поднимается манипулятором с пятью степенями свободы; окружающая среда детектируется инфракрасным датчиком для достижения автономного обхода препятствий; количество шариков подсчитывается счетчиком, а процессу разгрузки помогает взаимодействие человека и компьютера с помощью ручного модуля [2]. В данной работе разработана интеллектуальная система управления движением манипулятора на основе нечеткой T-S- (Takagi - Sugeno) модели. Манипулятор может заменить человека в выполнении всех видов сложной и опасной работы, повысить ее эффективность и снизить трудозатраты. Ожидается, что система будет применяться в производстве, проведении медицинских операций, транспортировке и логистике, дефектоскопии и т.д. Аппаратное обеспечение интеллектуальной системы управления движением манипулятора Датчик крутящего момента, используемый в соединении легкого манипулятора, сконструирован нами на основе подхода, состоящего из восьми равномерно распределенных балок, четыре из которых используются для наклеивания тензодатчиков, а четыре - для защиты датчика от перегрузки. Восемь тензодатчиков наклеены на эластомер, образуя две группы полных мостовых цепей. Для компенсации изменения сопротивления тензодатчика с температурой датчик температуры интегрирован на плате формирования сигнала датчика момента. Для проводки на эластомере датчика спроектировано большое центральное отверстие. Разработанный датчик крутящего момента помещается между гармоническим редуктором и шатуном, т.е. выходным концом гармоники, реализуя таким образом измерение крутящего момента соединения. Результаты измерения крутящего момента могут быть использованы не только для защиты механизма манипулятора, но и для управления крутящим моментом и для импедансного контроля ограничивающего пространства [3]. Модуль беспроводной передачи данных состоит из чипа ccmol и однокристального микрокомпьютера с низким энергопотреблением и высокой производительностью. Один модуль соединяет оборудование через последовательный порт TTL, а два другие реализуют беспроводную передачу данных. Режим подключения показан на рис. 1. После того, как соединение модулей, мобильного робота и персонального компьютера завершено и рабочие режимы передающего и приемного модулей готовы, данные могут беспрепятственно передаваться между двумя модулями. Рис. 1. Передающий модуль беспроводной связи Нижний контроллер использует FPGA (ПЛИС) в качестве основного управляющего чипа. Благодаря гибкому программированию параллельной обработки и инструменту разработки программного ядра FPGA (ПЛИС) данные датчиков могут обрабатываться рядом в совместном слое, тем самым снижая помехи передачи [4]. Кроме того, он также может реализовать функции пограничного слоя, привода, связи и т.д. Вышеперечисленные преимущества FPGA (ПЛИС) придают гораздо более высокую способность обработки, чем традиционные контроллеры, такие, как MCU, DSP. Верхний контроллер принимает верхнюю аппаратную структуру управления DSP/FPGA на основе шины PCI. FPGA (ПЛИС) Xilinx используется в качестве основного управляющего чипа в нижнем слое, который может одновременно осуществлять управление двигателем, связь, слияние данных и другие функции. Основываясь на аппаратной структуре DSP/FPGA-FPGA, управление световым манипулятором может быть эффективно реализовано. Для реализации управления в режиме реального времени верхний слой должен иметь быструю обратную связь с нижним слоем (joint layer) о положении и скорости соединения. Нижний слой должен обновлять информацию о желаемом крутящем моменте. Естественно, что оба контроллера особенно важны при быстром движении манипулятора. Учитывая минимальное количество проводов, в структуре управления необходима высокоскоростная последовательная шина связи. Двухточечный низковольтный дифференциальный сигнал (PP-LVDS) соответствует стандарту шины ANSI/TIA/EIA-899M-LVDS, который позволяет последовательно подключать двухточечные LVDS и расширять до многоточечных (M-LVDS) соединений с максимальной скоростью связи, достигающей 500 Мбит/с. Благодаря резистивному соединению двух низковольтных дифференциальных линий передачи данных и клеммы 10012 Ом, а также приводимому в действие чипом драйвера LVDS обработка данных осуществляется в верхней и нижней FPGA (ПЛИС). Разработка программного обеспечения интеллектуальной системы управления движением манипулятора Управление несколькими контрольными индексами с использованием T-S-нечеткой модели Учитывая, что процесс перемещения интеллектуального манипулятора является нелинейным [5], для представления управляющего показателя используется нечеткая модель T-S при условии сохранения общности в следующем виде: , (1) где - нелинейная функция управляющего индекса; - управляющая входная директива системы; - управляющий индекс. Рабочая точка , в процессе перемещения манипулятора выбирается случайным образом и подставляется в нечеткую модель после обработки Тейлора , (2) где - вызванная линеаризацией ошибка; и - коэффициенты Тейлора. При управлении параметрами правила управления контроллером нечеткой модели задаются как [6] , (3) где - число правил управления; - вектор состояния движения манипулятора; - входной вектор управления; - матрица усиления регулятора обратной связи состояния. Весь закон управления обратной связью состояния нечеткой модели может быть выражен так: , (4) где представляет предшествующую переменную; - коэффициент принадлежности; значения других параметров остаются неизменными. На основе приведенного закона управления обратной связью описывается устойчивость нечеткой модели в виде (5) где и - коэффициенты устойчивости; - положительно определенная матрица. Подавление помех следует рассматривать как один из важных показателей, поэтому проанализируем эту проблему. При рассмотрении нечеткой системы управления устанавливаются выражения векторов управления в двух направлениях в процессе перемещения манипулятора: (6) где - движение манипулятора в направлении оси x; - неопределенное внешнее возмущение; - выходной объект; - количество команд управления. Отслеживание движения Используя показатели мультиуправления, полученные в результате обработки T-S-нечеткой модели, предполагается, что все ветвящиеся цепи манипулятора имеют равномерную плотность и правильную форму [7], а их упрощенная структура показана на рис. 2. Пусть длина сегментов и будет , длина сегмента - и длина сегмента - . Предположим, что векторы центров масс отрезков , , и равны , , и соответственно. Кинетическая энергия манипулятора вычисляется следующим образом: (7) Сумма кинетических энергий всех ветвей манипулятора . (8) Рис. 2. Опорная цепная конструкция манипулятора Игнорируя толщину движущейся платформы, выберем начало отсчета на ее плоскости. Если радиус траектории движения платформы равен r, длина вектора центра масс - , плотность движущейся платформы - , то кинетическая энергия движущейся платформы . (9) Это полная кинетическая энергия манипулятора. Предполагая, что - масса звена манипулятора и - длина вектора центра масс, можно рассчитать потенциальную энергию плечевого сустава (10) где и - координаты центра масс шатуна в соответствующих плоскостях. Реализация управления движением Предполагая, что поверхность переключения находится между начальным и конечным состояниями манипулятора и равна нулю, процесс движения точки манипулятора можно выразить формулой , (11) где - время управления; - постоянная; - скорость манипулятора. Постоянный параметр и скорость движения манипулятора больше нуля, поэтому скорость управления точкой соединения можно записать как: (12) Из приведенной формулы видно, что закон экспоненциального приближения удовлетворяет условию скользящего режима [8, 9]. В то же время данный закон отражает скорость движения системы управления к поверхности переключения: , (13) где - начальное состояние системы управления. Время, необходимое для выхода системы из начального состояния на поверхность динамического переключения, зависит от констант и . Желаемая скорость может быть получена разумной установкой , . При управлении динамическим скользящим режимом закон приближения учитывает, в основном, скорость прибытия [10-12]. Поэтому увеличивая , , можно увеличить скорость движения системы, идущей от любого начального положения к поверхности переключения. При контроле скорости движения время достижения манипулятором точки равновесия может быть рассчитано так: , (14) где представляет положение манипулятора; и - коэффициенты коммутационной поверхности соединения; , , и - коэффициенты сходимости. Системный тест Для проверки работоспособности разработанной системы управления движением подготовлен манипулятор с двумя степенями свободы (рис. 3). Сравнительно изучены два вида существующих традиционных и разработанная системы управления, при этом управляется манипулятор с двумя степенями свободы и сравниваются управляющие эффекты. Рис. 3. Структура манипулятора с двумя степенями свободы Анализ экспериментальных результатов Все директивы принимаются в процессе работы манипулятора, в качестве объекта слежения выбирается точка соединения 1 манипулятора, а результаты слежения трех систем управления движением представлены на рис. 4. Рис. 4. Результаты слежения за узлами манипулятора трех видов систем управления движением Траектория узла 1 (рис. 3) взята за стандартную кривую сравнения. В трех типах рассмотренных систем управления кривые традиционных систем значительно отклоняются от стандартной, в то время как кривая разработанной системы почти не отличается от нее. Для поддержания экспериментальной среды команды управления используются повторно, а серийный номер команд берется в качестве точки записи (таблица). Результаты выполнения директив (время работы системы управления движением) № п/п Время выполнения директив, с Традиционная система управления движением 1 Традиционная система управления движением 2 Система управления движением интеллектуального манипулятора 1 5.2 3.7 1.7 2 5.9 3.4 1.1 3 5.1 3.0 1.9 4 5.3 3.3 1.5 5 5.5 3.9 1.0 6 5.4 3.7 1.3 7 5.9 3.3 1.5 8 5.7 3.2 1.3 9 5.5 3.1 1.7 10 5.8 3.8 1.0 Из результатов видно, что все три системы управления могут выполнять команды движения, но показывают различное время выполнения. Время выполнения всех команд при использовании традиционной системы 1 составляет 66.1 с, традиционной системы 2 - 41.5 с. Общее время выполнения команд разработанной интеллектуальной системы на основе T-S-нечеткой модели составляет 16.5 с. Это значительно меньше, чем у двух традиционных систем управления движением. Поэтому можно сделать вывод, что предложенная система управления больше подходит для управления движением манипулятора. Выводы В управлении манипулятором существуют всевозможные неопределенности и помехи, например, такие, как задержка и ограничение полосы пропускания, которые приводят к снижению производительности и нестабильности действующей системы. В связи с этим в данной работе основное внимание уделяется линеаризации, насыщению привода, ограничению полосы пропускания, конструкции и скорости, а также проектируется интеллектуальная система управления манипулятором из аппаратной и программной частей. Результаты показывают, что предложенный метод позволяет заставить манипулятор быстро реагировать на команду.

Скачать электронную версию публикации