模糊控制技术在机械手软抓取中的应用

模糊控制技术在机械手软抓取中的应用　河南思达高科技股份有限公司（４５０００１）尚振东　【摘要】本文介绍了一种基于模糊控制原理的机械手软抓取控制幕略，设计了比倒固子可调整模糊控制嚣，井进　行了实驻研究　【关键词】机械手模糊控制液压软抓取　一、引言　机械手作业的智能陛，是近年来广大科研人员研　究的重点内容＝控制策略在机械手实现软抓取作业中　起着非常关键的作用，它的作用相当于人脑的作用，它　的控制决策方式是否合理、直接决定了机械手能否顺　利完成软抓取任务。模糊控制是目前实现智能控制的　一种重要而又有效的方法：本文提出了基于模糊控制　原理的软抓取控制策略、并在此基础上，设计了一种可　调整比例因子控制器，进一步加强了控制的智能化　二、抓取策略　为实现液压机械手对不同物体的无损伤抓取即软　抓取，本文提出的策略是以模糊控制为核心，模拟人的　大脑思维方式，以滑觉传感器和力传感器模拟人的感　觉器官，采集信号，协调配合来完成软抓取作业。具体　说，当力传感器测出已夹到物体后，机械手上提物体　（小位移），同时由滑觉传感器和力传感器测试被抓物　体的滑动程度和夹持力，控制器根据上述信息进行模　糊决策、决定机械手爪的进给量．然后再一次上提，…　多次重复上述过程．直到抓牢物体为止。　三、模糊控制基本原理　模糊控制的基本原理可由图１表示．它的核心部　分为模糊控制器（图中虚线框中的部分所示）：模糊控　制器主要由以下４部分组成：　输入　＿［亘豇匡）＿　＿＇＠　互　血　匿盂皿　Ｄｌ，　］　＋＾　一　模糊控制器　１　匿显疆０厘翘一西珂丑圈一一　圈１模糊控制原理框图　（１）模糊化　这部分的作用是将输人的精确量转换成模糊化　量。其中输人量包括外界的参考输人，系统的输出和　《电气自＠ｑｔ｝２００２年第３期　状态等。　（２）知识库　知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的　控制目标：他通常由数据库和模糊控制规则库两部分　组成。　（３）模糊推理　模糊推理是模糊控制器的核心、他具有模拟人的　基于模糊概念的推理能力　该推理过程是基于模糊逻　辑中的蕴含关系及推理规则来进行的＝　（４）清晰化　清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊　量）变换为实际用于控制的清晰量。模糊控制算法的　过程是这样的：经过采样，得到误差信号￡。一般选误　差信号Ｅ作为模糊控制器的一个输人量：把误差信号　￡的精确量进行模糊量化，误差￡的模糊量可用相应　的模糊语言表示。至此，得到了误差￡的模糊语言集　合的一个子集　（ｅ实际上是一个模糊向量）＝再由ｅ　和模糊控制规则尺（模糊关系）根据推理的合成规则进　行模糊决策，得到模糊控制量“（模糊量）为　“＝ｅｏＲ　（１）　式中：０一合成运算符　为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊　量　转换为精确量，这一步骤在图１中称为清晰化处　理。得到精确的数字控制量后，经数模转换变为精确　的模拟量送给执行机构，对被控对象进行第一步控制。　然后，中断等待第二次采样，进行第二步控制……。这　样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。　四、模糊控制器设计　１选择描述输人和输出变量的词集　本文中，模糊控制要消除被控对象的滑动，选取输　入变量为滑动程度信号　以及夹持力，，输出变量为控　制量　，因此它是一个二维模糊控制器。从理论上讲，　模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，　模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困　难。　－智能控制技术・２９　维普资讯 http://www.cqvip.com

根据本课题的实际性质和要求，只需要考虑单方　向的同题。对　，，及控制量“的模糊语言描述（模糊　集）定义如下：　、ｆ和“的模糊集均为　ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ　２定义各个模糊变量的模糊子集　定义～个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集　隶属函数曲线的形状。将确定隶属函数曲线离散化，　就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的　模糊变量的模糊子集。首先碲定各个模糊变量的论　域　定义：　和，的论域均为｛ｌ，２，３，４，５　６　“的论域为｛１，２，３，４，５，６，７｛　论域中元素总数为模糊子集总数二至三倍时．模　糊子集对论域的覆盖程度较好。　模糊变量Ｓ，ｆ和ｕ的赋值分别如表１．２和３所　示，它们是结合反复实验得出的。　表１楗糊变量Ｓ的赋值表　１　２　３　４　５　６　舟　１　０．７　０　ｌ　０　０　０　ＰｌⅥ　０　０　５　ｌ　１　０　５　０　ＰＢ　０　０　０　０　１　０　８　１　表２模搠变量，的戢值表　１　２　３　４　５　６　１【０　７　０　１　０　０　０　ＰＭ　０　０　４　ｌ　０　８　０．４　０　船　０　０　０　０　４　０　８　１　表３蠛糊变量ｕ的赋值表　１　ｆ　２　３　４　５　６　７　１　０　７　０　１　０　０　０　０　Ⅲ　０　１　０　４　０　８　１　０　８　０　４　０　口　０　ｆ　０　０　０　０．２　０．７　１　３模糊化计算　模糊化运算是将输入空间的观测量影射为输入论　域上的模糊集合。对于实际的输Ａ量，首先需要进行　尺度变换，将其变换到要求的论域范围。实际的输人　量都是连续变化的量　通过模糊化处理．把连续量离散　为有限个整数值的做法是为丁使模糊推理合成方便。　在本文的模糊控制中，输入量为滑觉程度Ｓ及夹　持力ｆ，经传感器采集的信号都是连续量，输入量Ｓ的　精确值范围是０～５Ｖ，不用尺度变换而直接量化；ｆ的　实际精确值范围是Ｏ～ｌＶ，经尺度变换为０－－１００，对其　进行模糊量化处理，见表４和表５。　３ｏ・智能控制技术－　表４输入量ｓ的非均匀量化　量化等　ｌ　２　ｆ　３　ｆ　４　ｌ　５　６　变化范围≤０　４　（０　４．１）（１．２）　（２，３）ｌ（３，４）　≥４　表５￣ｔＹ，－＇ｌｔｆ的非均匀量化　化等　１　２　３　４　ｆ　５　ｆ　６　变化范倒≤１０（１ｏ．２５）　（２５，３５）　ｌ３５．５０）（５０，６５）ｌ≥６５　采用非均匀量化是根据实际控制的需要以及传感　器的特性．变化范围的选择主要根据人的知识和经验　并通过实验调整而得到。　４清晰化计算　对于实际的控制输出量必须为精确值，因此需要　将经模糊推理得到的模糊控制量转换成清晰量，这就　是清晰化计算所要完成的任务　清晰化计算通常有以　下几种方法：最大隶属度法、中位数法和加权平均法。　其中，加权平均法应用最为普遍。它类似于重心的计　算，所　也称为重心法。对于论域为离散的情况．有　∑　（　）　２０＝　｝—一　【２）　∑　（　）　＝Ｌ　其中：ｚｏ一输出量清晰值　≈—论域中的元素　一对输出量集合的隶属度　当输出量经清晰化后，还需要乘上比例因子　得　出最后的控制量，送给执行机构。结合本课题的实际　情况，本文设计了一种可调整比例因子模糊控制器。　比例因子根据力传感器的反馈值大小做相应的调整，　一是考虑机械手爪位置进给与加力效果为非线性关　系；二是这种调整过程符合人在控制决策过程中的思　维特点，具有优化的特点，且非常易于通过微机实现其　控制算法。具体实现根据机械手爪位置进给与加力效　果的实验曲线来确定。　５建立模糊控制规则　模糊控制规则是模糊控制的核心．建立模糊控制　规则的过程，也就是利用语言归纳手动控制策略的过　程。本文的控制规则是基于操作者的实际控制过程，　以及人的知识和经验来建立的。实际控制规则可以用　下面九条规则来描述：　（１）ＩＦ　Ｓ＝ＰＳＡＮＤ，＝ＰＢ　ＴＨＥＮ　Ｕ＝ＰＳ　（２）ＩＦ　Ｓ＝Ｐ＿ＭＡＮＤ，＝ＰＢＴＨＥＮ　ｕ＝尸Ｓ　（３）ＩＦ　Ｓ＝ＰＢＡＮＤｆ－ＰＢ　ＴＨＥＮ　Ｕ＝ＰＭ　（４）ＩＦＳ＝ＰＳＡＮ＇Ｄ，＝ＰＭＴＨＥＮＵ－ＰＳ　ｃ下转第２２页）　《电气自动４￣２ｏｏ２年第３期　维普资讯 http://www.cqvip.com

＝Ｆ（ｔ）是八段直线，对应各段ｖ与Ｓ的关系求得如下：　加速段　Ｖ＝　ｆ　＋２ａ　Ｓ　与标准五段速度控制比较，切换点的加／减速度变化程　度减小，解决了切换时的机械冲击过大问题。与“Ｓ　型　速度控制相比，尽管切换点仍然存在机械冲击，只要舍　理选择比例系数Ｃ，可将此冲击在允许的范围内．　Ｖ＝￣，ｖ　２ａ．Ｓ　而计算却变得十分简单方便。　减速段　式巾　三、实际使用中的几点注意　（１）由于ａ２０，ａ２２小于ａ２１，增大了减速行程，采用　此控制方法要达到采用…Ｓ型曲线控制一样的效果，则　减速点要比果用标准五段控制提前一定量。　（２）初加速段的起始速度Ｖ　必须是某个大于零的　值，否则起始点速度将无法产生＝ｖ劬的太小由实际启　动要求选取。　（３）为避免同步校正对给定速度产生的影响，最　ｖ…加／减速对应段的给定速度（ｍ　）　Ｖ　…第ｉ段的起始速度（ｍ／ｓ）　』ｒ－・第　段的加／减速度（取其绝对值）（ｍ詹）　Ｓ…第ｉ段中的实际行程（即Ｓ＝０～Ｓｉ，ｓ第ｌ段的　行程）（ｍ）　在某矿井主井的直流提升机控制中、采用上述方　法、给定参数为：　ａｌ０＝０　５　ａ】１二１　０　ａ１２＝０　５　ａ２０＝０　５　ａ２１＝１　０　好将校正点选定在全速行程的接近结束处。　（４）为保证控制的精确性、行程脉冲应有一定的　精度。　ａ２２＝０　５（ｔｉｔ　），　Ｖ１＝１　５　Ｖｍ＝１０　０　Ｖ　＝０．５（ｍ／ｓ）　曰＝５．０　Ｓｔｃ＝４７８．５（ｍ）Ｃ＝０　９　产生的实际Ｖ＝Ｆ（ｓ）曲线如下图３所示　四、结束语　本控制既简化了“ｇ。型曲线控制的计算过程，又满　足必要的控制精度，通过在平顶山八矿主井直流提升　系统中的实际使用证明．采用一般的可编程序控制器．　配以必要的Ｉ／Ｏ模块及计数模块就可以实现系统的控　制要求。　参考文献　匿３　实盱给定的Ｖ＝Ｆ（Ｓ）曲拽　［１：陈松立，宋文样矿井直流提升机速度给定方法的研究　矿山机械，１９９８年第９期　［２：宣练中，王燕生等可编程序控制器及其应用机械工业　出临社　（上接第３Ｏ页】　（５）ＩＦ　Ｓ＝ＰＭ　Ａ　，＝州ＴＨＥＮ　Ｕ＝　６控制表　当论域为离散时，经过量化后的输人量的个数是　有限的。因此可以针对输人情况的不同组合离线计算　出相应的控制量，从而组成一张控制表．实际控制时只　（６）ＩＦ　Ｓ＝ＰＢ　Ａ　（７）ＩＦ　Ｓ＝　厂＝ＰⅥＴＨＥＮ　Ｕ＝ＰＭ　ｒ＝ＰＳ　ＴＨＥＮ　Ｕ＝　（８）ＩＦ　Ｓ＝ＰＭＡＮＤ　ｒ＝ＰＳ　ＴＨＥＮ　Ｕ＝ＰＢ　（９）ＩＦ　Ｓ＝ＰＢ　，＝ＰＳＴＨＥＮ　Ｕ＝ＰＢ　袁６模糊控制袁　需要直接查这张控制表即可。经过离线计算，见表６。　五、结语　本文提出了一种基于模糊控制思想的机械手软抓　＿＼　＇　４３　１　１　５　１　５　２　１　５　１　５　３　１　５　１　５　４　ｌ　５　４　０　５　４　０　４　０　６　４　０　４　０　取控制策略，设计了可调整比例因子模糊控制器，并将　该方法用于ＳＷＲ１３［电液伺服机械手的软抓取实验中，　１　５　１　５　４　０　４　０　１　５　４　０　４　０　Ｌ　４　０　４　０　Ｉ　６　４　４　０　ｌ　６　４　４　０　Ｉ　４　０　４　０　ｌ　４　０　６　４　Ｉ　６　４　６　４　Ｉ　６　４　４　０　４　０　６　４　６　４　实现了对鸡蛋、玻璃杯等易碎物品的无损伤抓取。　参考文献　［１］李士能模期控制神经控制和智能控制论喑尔滨工业　大学出版社，１９９６　［２］孙增析等智能控制理论与技术清华大学出版社．１９９７　２２・电气传动和自动控制　《电气自动化）２ｏｏ２年第３期