SCARA機(jī)械手視覺伺服精確定位技術(shù)的研究

作者： 沈程慧     研究方向： 控制理論與控制工程

       隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)的迫切需求，各產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng) 促使企業(yè)提高生產(chǎn)效率降低產(chǎn)品的殘次率，從而推動(dòng)了各產(chǎn)業(yè)尤其是裝配領(lǐng)域?qū)Ω呔?的工業(yè)機(jī)械手需求，SCARA 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特別適合動(dòng)作重復(fù)性大、裝配精度需求 高的裝配場(chǎng)合，而高精度的裝配的前提是高精度的定位。SCARA 機(jī)械手視覺伺服精確 定位技術(shù)的研究主要包括以下幾個(gè)方面： 針對(duì) SCARA 機(jī)械手視覺伺服精確定位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型， 包括智能視覺相機(jī)模型、SCARA 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型、智能相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間關(guān)系模型。 針對(duì) SCARA機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中，抑制干擾對(duì)定點(diǎn)控制的影響，消除因力矩突變 過大引發(fā)的機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象。提出一種基于模糊內(nèi)模的 SCARA 機(jī)械手控制器設(shè)計(jì)方法， 提高系統(tǒng)控制精度。首先利用 SCARA機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型作為被控對(duì)象，利用內(nèi)模控制 原理獲得被控對(duì)象的估計(jì)模型，在滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零的條件下選擇合適的內(nèi)模濾 波器 ，推導(dǎo)整體的控制規(guī)律，通過設(shè)計(jì)跟蹤位置誤差及誤差變化率的模糊規(guī)則表， 運(yùn)用 模糊推理規(guī)則，采用重心法進(jìn)行模糊判決。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有 良好的干擾抑制效果，消除了力矩突變過大帶來的機(jī)械劇烈抖動(dòng)的現(xiàn)象，其力矩突變峰 值較單一內(nèi)?？刂平档土?。 針對(duì) SCARA 機(jī)械手平面定位精度不高，提出了一種網(wǎng)格模型并結(jié)合最小距離誤差 逼近方法。通過構(gòu)建 SCARA機(jī)械手平面定位的簡(jiǎn)化模型，概述網(wǎng)格模型收斂機(jī)理，分析機(jī)械手末端第一次到達(dá)的實(shí)際點(diǎn)與期望點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系，構(gòu)建可變參數(shù)的起始網(wǎng)格模型，采用最小距離誤差逼近求解下一步構(gòu)建可變參數(shù)網(wǎng)格模型起始點(diǎn)，最后由期望點(diǎn)在 網(wǎng)格模型中位置分布情況決定模型粒度點(diǎn)的收斂更新方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視覺引導(dǎo)的定 位補(bǔ)償策略彌補(bǔ)了因模型不精準(zhǔn)而造成的平面定位精度不高的現(xiàn)象，補(bǔ)償后的定位精度達(dá)到 ，且調(diào)節(jié)參數(shù)單一、機(jī)器末端走點(diǎn)次數(shù)明確。 以 LABVIEW 為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建 SCARA 機(jī)械手視覺伺服精確定位系統(tǒng)。設(shè)計(jì) SCARA 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解模塊、軌跡規(guī)劃模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、誤差補(bǔ)償模塊。利 用 NI-7842R 板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和輸出，控制 SCARA 機(jī)械手完成指定的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精確定位功能。

      SCARA機(jī)械手的絕對(duì)定位精度與重復(fù)定位精度是衡量機(jī)械手綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。絕對(duì)定位精度是通過一定手段獲取到期望位置點(diǎn)后，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)到達(dá)的實(shí)際位置點(diǎn)與期望位置點(diǎn)之間距離誤差大小，通常由機(jī)械手參數(shù)等確定性因素共同作用；重復(fù)定位精度是在指定目標(biāo)位置前提下，針對(duì)相同工作條件下重復(fù)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)到指定目標(biāo)位置時(shí)，實(shí)際到達(dá)位置點(diǎn)形成的離散分布情況，通常是由隨機(jī)性原始誤差組成。SCARA機(jī)械手本體重復(fù)定位精度可以達(dá)到20?m左右，但系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度一般為 1-3mm，絕對(duì)定位精度與重復(fù)定位精度之間通常有著兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差距.

     許多單一因素都會(huì)影響SCARA機(jī)械手的定位精度，并且往往SCARA機(jī)械手最后的定位精度通常是由各種因素共同作用下的結(jié)果。在不同情況下，每個(gè)單一因素都有可能成為影響機(jī)械手最終定位精度的主要原因，通常把影響定位精度的因素大體的歸納分成兩種類別：靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素。其中靜態(tài)因素主要包括如下兩種組成部分：(1)影響重復(fù)定位精度的控制誤差因素。(2)測(cè)量造成的SCARA連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的實(shí)際值與 理論值的偏差因素。動(dòng)態(tài)因素亦包括兩種組成部分：(1)由工作環(huán)境引發(fā)的溫度變化以及機(jī)械連接部位的機(jī)械磨損造成的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化因素。(2)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中受慣性力與外界干擾等因素造成關(guān)節(jié)變形與機(jī)械抖動(dòng)等因素。

      目前對(duì)SCARA機(jī)械手的定位精度的研究主要分成三大方向：第一類主要研究為了減小系統(tǒng)的控制誤差而研究更精確的定位控制算法。第二類主要研究通過建模、測(cè)量與辨識(shí)等一系列手段提高SCARA機(jī)械手本體機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性，從而得到更接近期望點(diǎn)的坐標(biāo)位置。第三類主要通過采用一定的誤差補(bǔ)償算法來彌補(bǔ)機(jī)械手的絕對(duì)定位精度。第一類研究是通過提高機(jī)械手在點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中重復(fù)定位精度從而影響整體的定位精度。隨著裝配機(jī)械手的任務(wù)日趨復(fù)雜，控制精確度要求越來越高，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度需要越來越明顯，國內(nèi)外的研究學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂?、自適應(yīng)控制、以及模糊控制等高級(jí)控制方法的優(yōu)勢(shì)，采用多種控制思維結(jié)合的方式得到更加精確的定位，并取得一定效果。第二類研究本質(zhì)為了最小化機(jī)械手連桿參數(shù)實(shí)際值與理論值的差距，通常借助更高精度的測(cè)量工具與一定的測(cè)量手段，但是由于測(cè)量工具的昂貴以及對(duì)操作人員的專業(yè)要求較高，存在一定的限制性，并且隨著機(jī)械手工作時(shí)間的累積，造成機(jī)械手本體部位的磨損會(huì)對(duì)此種方法的效果大打折扣。第三類研究本質(zhì)是通過影響絕對(duì)定位精度而提高相應(yīng)的系統(tǒng)定位精度。通?？梢源笾碌臍w納為軟件補(bǔ)償法與硬件補(bǔ)償法。硬件補(bǔ)償法通過控制的反饋環(huán)節(jié)添加高精度的誤差補(bǔ)償器來實(shí)現(xiàn)高精度的定位，通常高精度的誤差補(bǔ)償器的造價(jià)都是極其昂貴的，并且精確定位功能實(shí)現(xiàn)并不能完全依賴控制系統(tǒng)本身得到實(shí)現(xiàn)，所以其適用場(chǎng)合有限。而軟件補(bǔ)償法通過控制操作軟件調(diào)節(jié)機(jī)械手末端位置的輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其易于修改與低成本的特性造成了現(xiàn)如今的研究熱點(diǎn)。

      SCARA機(jī)械手視覺伺服精確定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在決定重復(fù)定位精度的機(jī)械手定位控制算法與影響機(jī)械手絕對(duì)定位精度的機(jī)械手誤差補(bǔ)償技術(shù)上，這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)好壞，直接影響著機(jī)械手的點(diǎn)到點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)精度、使用壽命以及機(jī)械手最終的定位精度。因此他們是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.2機(jī)械手控制算法動(dòng)態(tài)

     機(jī)械手控制環(huán)節(jié)作為機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)重要部分，它通過影響機(jī)械手的重復(fù)定位精度進(jìn)而提高機(jī)械手整體的定位精度?？刂破髟O(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系著機(jī)械手的運(yùn)行性能，SCARA機(jī)械手控制器可以根據(jù)是否考慮其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分類。

  (1)運(yùn)動(dòng)控制，不考慮動(dòng)力學(xué)特性。直接通過反饋實(shí)際位置點(diǎn)與期望位置點(diǎn)之間距離誤差設(shè)計(jì)控制器。當(dāng)在一些對(duì)定位精度要求不高的任務(wù)過程中，忽略機(jī)械手動(dòng)力學(xué)特性的控制算法是可以滿足系統(tǒng)要求。許多學(xué)者對(duì)其中模糊控制、PD控制、PID控制、模糊PID控制等控制策略進(jìn)行了大量研究。但是對(duì)于裝配等對(duì)精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)的操作任務(wù)而言，上述控制方法，就存在著許多的局限性，為此需要研究基于機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型的控制算法。

 (2)動(dòng)態(tài)控制，充分的考慮機(jī)械手動(dòng)力學(xué)特性。從動(dòng)力學(xué)模型性質(zhì)本身出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的控制算法中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等優(yōu)勢(shì)，提高SCARA機(jī)械手控制精度，提升抑制干擾的能力、設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定的控制規(guī)律。

       對(duì)于其中輸入為單一固定值的定點(diǎn)控制而言，許多學(xué)者有著自己獨(dú)到的見解。針對(duì)動(dòng)力學(xué)方程中存在的各動(dòng)態(tài)因素，許多學(xué)者在先進(jìn)PID控制的基礎(chǔ)上引進(jìn)前饋控制思想補(bǔ)償定點(diǎn)控制的精度。如Dung L T提出在線重力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)PD控制，定點(diǎn)控制精度較高，但實(shí)時(shí)在線估計(jì)加重計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)。De Luca A, Flacco F以減少穩(wěn)態(tài)誤差為目的，采用固定重力補(bǔ)償，降低自適應(yīng)PD控制算法計(jì)算復(fù)雜度。Huang J提出基于全局位置重力補(bǔ)償PD控制，實(shí)現(xiàn)較高定點(diǎn)控制效果，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性受限于增益的控制策略。同樣存在引入慣力項(xiàng)、哥氏力項(xiàng)作為前饋控制補(bǔ)償算法，但是上述方法定位精度直接與建模的誤差緊密相聯(lián)。

     許多時(shí)候機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中給定的過程期望點(diǎn)總是在不斷變化，并且不斷給定的期望點(diǎn)的位置可以表述為隨時(shí)間變化的連續(xù)曲線，，單一的定點(diǎn)控制并不能滿足任務(wù)的需求，為了依然保證良好的控制精度，需要研究更高效的控制算法。

     SCARA機(jī)械手在點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中，為了得到更高精度的控制效果，必須充分利用機(jī)械手動(dòng)態(tài)控制方法的優(yōu)勢(shì)，而又隨著精度要求越高控制算法日趨復(fù)雜，因此研究參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，以保證穩(wěn)態(tài)精度為前提，有效消除力矩突變，抑制機(jī)械抖動(dòng)問題的算法研究將成為本課題的重點(diǎn)。

1.2.3誤差補(bǔ)償算法動(dòng)態(tài)

通過分析造成SCARA機(jī)械手的誤差因素原因，從而為了提高機(jī)械手的絕對(duì)定位精度，可以通過以下兩大類方法來實(shí)現(xiàn)：誤差預(yù)防法、誤差補(bǔ)償法。由于誤差預(yù)防法側(cè)重在制造SCARA機(jī)械手中通過提高其關(guān)鍵配件的設(shè)計(jì)與加工環(huán)節(jié)工藝水平，進(jìn)而提高系v> 統(tǒng)的定位精度。容易受加工設(shè)備、材料等其他因素的影響，且成本較高，這種方式一般只適用于制造機(jī)械手的過程中采用，對(duì)于已經(jīng)裝配成型的機(jī)械手沒有相應(yīng)的處理辦法。而誤差補(bǔ)償法又可以分為軟件補(bǔ)償、硬件補(bǔ)償。其中硬件補(bǔ)償通過附加額外的誤差補(bǔ)償器來消除末端的位置誤差，成本高，一般不利于推廣。軟件誤差補(bǔ)償法又可以按照補(bǔ)償?shù)姆绞椒譃閮煞N情況：

(1)參數(shù)誤差補(bǔ)償方法：即當(dāng)獲取了較高精度的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)后，通過附加一定的控制算法再次修改機(jī)械手原有的控制系統(tǒng)參數(shù)，最小化實(shí)際參數(shù)與理論值之間的偏差來提高機(jī)械手的絕對(duì)定位精度。Wang D通過對(duì)機(jī)械手的定位誤差規(guī)律進(jìn)行深度分析，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，獲得接近機(jī)械手的實(shí)際運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，提高機(jī)械手誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，但是大量的訓(xùn)練樣本，加重了實(shí)驗(yàn)的工作量。Liu C通過對(duì)機(jī)械手工作空間選定網(wǎng)格位置點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的雙線性插補(bǔ)以及曲線擬合，修改運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而對(duì)機(jī)械手末端位置進(jìn)行補(bǔ)償。Pini F借助外界精密儀器，不斷采集并修正運(yùn)動(dòng)過程中的誤差模型參數(shù)，提高定位精度。但是上述方法簡(jiǎn)單的把SCARA機(jī)械手誤差造成的原因歸責(zé)于機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸的連桿之間物理參數(shù)的理論值與實(shí)際值的偏差，而并沒有結(jié)合分析實(shí)際情況下機(jī)械手可能受到負(fù)載，溫度，關(guān)節(jié)間隙、坐標(biāo)變換、控制等一系列因素共同作用的影響。

(2)攝動(dòng)誤差補(bǔ)償法：根據(jù)期望位置與實(shí)際位置的偏差，通過預(yù)先添加一個(gè)附加位置增量，使該附加的位置增量能有效降低由參數(shù)誤差引起的位置誤差，最后使得機(jī)械手末端實(shí)際點(diǎn)接近期望點(diǎn)。一般需要結(jié)合視覺伺服控制技術(shù)，通過機(jī)械手末端位置的反饋來實(shí)時(shí)的進(jìn)行反饋誤差補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度。祝建禮針對(duì)5自由度的機(jī)械手構(gòu)建了微小攝動(dòng)誤差模型，通過數(shù)值分析法采用逐步逼近位置誤差求解補(bǔ)償變量，提高絕對(duì)定位精度。但計(jì)算中存在精確度丟失的問題。ZhouW提出基于空間網(wǎng)格的機(jī)械手精度補(bǔ)償方法，通過空間插補(bǔ)方式對(duì)目標(biāo)期望點(diǎn)定位預(yù)測(cè)，但最小空間網(wǎng)格劃分的精度會(huì)直接影響補(bǔ)償?shù)男ЧＡ挝暮突诜治隹臻g網(wǎng)格相鄰兩點(diǎn)之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了定位誤差相似度的概念，采用反距離加權(quán)法進(jìn)行插值優(yōu)化網(wǎng)格步長，但優(yōu)化過程只考慮了靜態(tài)因素。周煒基于空間網(wǎng)格精度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，采用粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手精度補(bǔ)償方法，降低環(huán)境因素變化對(duì)補(bǔ)償效果的影響，但訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采樣樣本數(shù)量偏大。尹湘云提出基于模型控制方法和智能計(jì)算相結(jié)合的方法，以面向小樣本原理的支持向量機(jī)回歸算法預(yù)測(cè)位置誤差,有利于減少位姿測(cè)量的點(diǎn)數(shù)，但基于小樣本原理構(gòu)建的模型應(yīng)用范圍有一定的限制。許輝提出基于距離誤差的機(jī)械手誤差補(bǔ)償模型，避免了測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系與機(jī)械手基礎(chǔ)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換誤差，有效的降低了由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換引起的定位精度問題。Brethe J 提出基于粒度隨機(jī)模型結(jié)合置信橢圓區(qū)域跳轉(zhuǎn)的誤差補(bǔ)償策略方法，提高機(jī)械手的絕對(duì)定位精度，但此方法不適用于對(duì)于起始絕對(duì)定位精度偏低的機(jī)械手，且其跳轉(zhuǎn)的過程帶有一定的隨機(jī)性。

總結(jié)：以上研究動(dòng)態(tài)顯示為了提高機(jī)械手的絕對(duì)定位精度，攝動(dòng)誤差補(bǔ)償方法已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)；因此研究補(bǔ)償效果明顯、適用性強(qiáng)的誤差補(bǔ)償算法將成為本課題的重點(diǎn)。