模糊控制在機(jī)器人柔順裝配中的應(yīng)用魏媛媛n魏敏2>林松清3>北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，北京1000832）武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢430079 3>中國地質(zhì)大學(xué)（北京>水資源與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083業(yè)的模型參數(shù)，省去了大量的計(jì)算。并且在控制過程中不需要引人受力信息的變化量。為其中三種，其余三種與此類似。
在插人過程中，孔壁對棒產(chǎn)生阻力，阻止棒插人。為了形成正確的插人動作，應(yīng)該根據(jù)孔與棒的相對位姿來調(diào)整棒的插人角度。而兩者的相對位姿是可以根據(jù)傳感器的力和力矩的信息來確定的。顯而易見，接觸力與棒的位置關(guān)系是非線性的、多值的。這就需要先判斷出當(dāng)前棒處在哪一種接觸方式，再根據(jù)力傳感器信息判斷棒的偏移角度和方向。
力傳感器安裝在機(jī)械手的最后一個(gè)關(guān)節(jié)和夾持器之間，如，裝配過程的受力分析如。當(dāng)插棒以某一傾斜角度插人孔中，則必然會受到孔壁阻力的作用。根據(jù)其受力方向，判斷插棒的傾斜方向后，即做相應(yīng)的調(diào)整。如，插棒受到z和y方向的阻力，說明插棒還沒有處于與孔內(nèi)壁相平行的位姿，需要調(diào)整，方向是繞著的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)某一角度。
根據(jù)插棒在尤f方向的受力情況判斷出插棒目前的狀態(tài)，調(diào)整其位姿，繼續(xù)下移插棒，當(dāng)再次受到插孔的阻力時(shí)，就再次根據(jù)受力情況進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)調(diào)整、下移，使之最終與插孔的內(nèi)壁相平行，并能使插棒插人孔底。只有當(dāng)方向上都不受力，z方向受到一定大小的力作用時(shí)，表示插棒已完成裝配任務(wù)。以上僅討論了一點(diǎn)受力（（b））的情況。運(yùn)用這種控制方法時(shí)，兩點(diǎn)受力的情況不會發(fā)生。這樣，就簡化了調(diào)整判斷種類，提高了調(diào)整效率，保證了實(shí)時(shí)性。算法實(shí)現(xiàn)流程如所示。
2模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制就是利用人類專家的經(jīng)驗(yàn)和知識，對一些非線性的、非定常的、時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制。因此，如果對該系統(tǒng)的狀態(tài)、動態(tài)特征及行為有較充分的認(rèn)識，將有助于分析任務(wù)的執(zhí)行，并建立正確的控制算法，從而得到較好的控制效果61.通過以上對裝配過程中插棒的受力分析和人類手工裝配中的經(jīng)驗(yàn)，可以形成適用于插孔裝配的模糊控制方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器。通過以上分析可知在尤r兩個(gè)方向上分別設(shè)計(jì)模糊控制器，每個(gè)模糊控制器有2個(gè)輸人變量，1個(gè)輸出變量。現(xiàn)以r方向上的模糊控制器為例加以說明。兩個(gè)輸人變量之一是當(dāng)前y方向上的受力大小另一個(gè)是前一次在y方向上的調(diào)整角度。該模糊控制器的輸出變量是知，它是機(jī)器人末端在當(dāng)前需要調(diào)整的角度?？梢噪x線計(jì)算出模糊控制表。下面就是離線計(jì)算過程。
選擇描述輸人輸出語言變量的取值集。通過分析實(shí)際的力反饋信號值，取輸人變量之一為當(dāng)前機(jī)器人末端受力值。它是連續(xù)變量，其連續(xù)取值集是；經(jīng)過量化后，取值集為-2，-1，0，1，2（如表1）；它的語言變量的取值集為d=兒，z，a，這三個(gè)詞匯分別表示機(jī)器人末端受力為負(fù)值、零、正值。
表1機(jī)器人末端受力的量化表量化等級~2~l受力值/n另一個(gè)輸人變量為前一次機(jī)器人調(diào)整的角度大小。它本身就是離散量，取值集為-4，-2，-1，0，1，2，4（°）；相應(yīng)的語言變量的取值集為5=fln，5z，5p，這三個(gè)詞匯分別表示機(jī)器人末端前一次調(diào)整的角度為負(fù)值、零、正值。
輸出變量為當(dāng)前機(jī)器人末端需要調(diào)整的角度知也是離散量，取值集為-4，-2，-1，0，1，2，4（°）；相應(yīng)的語言變量的取值集為c=cnb，cnm，cns，cz，cps，cvm，cvb，這七個(gè)詞匯分別表不機(jī)器人末端當(dāng)前需要調(diào)整的角度為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。
定義各個(gè)模糊變量的模糊子集。以上各個(gè)變量都具有模糊性，可用模糊集合來表示。將它以隸屬度表的形式來表示。輸人變量尺，知，輸出變量的隸屬度表分別為表2~4.以上三個(gè)隸屬度表中的各個(gè)模糊語言集合也可以用矢量形式表示。例如：表2輸入變量尺的隸屬度表3輸入變量的隸屬度表描tfl隹么d懼徹果a一表4輸出變置心的隸度表模糊集合c一建立模糊控制器的模糊規(guī)則。根據(jù)前面的受力分析和人類控制經(jīng)驗(yàn)得到推理規(guī)則表5.表5推理規(guī)則r為z為p根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人末端的受力情況和前一次的角度調(diào)整情況得到本次需要調(diào)整的角度。如果本次方向上的受力是p（正），并且前一次調(diào)整的方向‘也是p（正），那說明前一次調(diào)整的幅度太小，本次的調(diào)整角度應(yīng)加大，知為pb（正大），另一種情況是，假設(shè)前次調(diào)整的角度為p（正），本次測得的力是-5n，即現(xiàn)在為n（負(fù)），這說明前次調(diào)整角度過了，本次需要調(diào)整的角度知為ns（負(fù)小）。若本次不受力，尺為z（零），則不論前一次的調(diào)整方向如何，本次都不調(diào)整，因此本次的調(diào)整步長知為z（零）。
表5中所表示的規(guī)則依次為（各個(gè)規(guī)則之間用also連接）：尺1：如果fr是a，and知是凡，則是cnb；凡：如果是a，and 0，。d是民，ftr則是；凡：如果fy是木，and是取，隊(duì)。則是cpb.計(jì)算模糊關(guān)系矩陣及控制表1'根據(jù)模糊推理及性質(zhì)，可求得輸出量的模糊集合為（7=4'><5）。兄這里and用求交法，also用求并法，合成用最大-最小法，模糊蘊(yùn)含用求交法。c'，x及是指當(dāng)前的輸出和輸人變量的值。再由模糊推理的性質(zhì)可得：八=按同樣方法可依次求出c，c2，c9并最終求得清晰化采用最大隸屬度方法，若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個(gè)極值點(diǎn)，則取這些極值的平均值為清晰值，可以計(jì)算得到控制表6如下。
表6模糊控制器控制表一1本控制方法的控制結(jié)構(gòu)框圖如。兩個(gè)模糊控制器的輸出結(jié)合起來控制機(jī)器人。
本算法的輸人變量沒有用到插棒受力的變化量（這在很多中都是經(jīng)常用到的），是因?yàn)榱?力矩的變化量在實(shí)時(shí)的情況下是很難精確得到的。在輸入變量中加人力/力矩的變化量，引人了噪聲，不如直接使用前一次插棒調(diào)整的方向作為輸人變量。這樣，輸人變量簡單易得，精度又高。實(shí)驗(yàn)證明這樣做的效果是好的。
另外，需要說明的是，在調(diào)整位姿的過校插棒的角度調(diào)整到最后階段有可能會進(jìn)入一個(gè)步長調(diào)整振蕩的情況，這樣就無法正確完成任務(wù)。這是由于步長調(diào)整表中的最小調(diào)整步長過大而引起的。這時(shí)，應(yīng)該減小調(diào)整步長，使之脫離振蕩。于是就要加人一個(gè)震蕩監(jiān)視器。它的作用是每調(diào)整一步，就檢前次調(diào)整的步長是否與本次調(diào)整步長大小一樣，而方向相反。如果是，則及時(shí)減小步長，再次調(diào)整；如果不是，則繼續(xù)按指定步長調(diào)整。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果本次實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)器人是m0t0manup6，它有六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，六個(gè)自由度。在機(jī)器人末端安裝有一個(gè)六維腕力傳感器，再在傳感器上安裝一個(gè)夾具，用來夾持金屬插棒。工作平臺上個(gè)金屬圓孔，插棒以任意初始位姿插人圓孔，然后根據(jù)其受力的情況，在逐步插入的同時(shí)調(diào)整位姿，直到完全插人孔底為止。在一旁放有一個(gè)攝像頭，t.作平臺在它的視野范圍內(nèi)，它是用來提供圓孔當(dāng)前的位置信息。由于有了視覺作用，可以簡化找孔這一階段，這就使得整個(gè)裝配任務(wù)集中在插入階段。六維腕力傳感器向控制計(jì)算機(jī)提供六維力/力矩信號計(jì)算機(jī)運(yùn)用以上策略，控制機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)角度。
這里使用的六維腕力傳感器能同時(shí)提供三維空間坐標(biāo)中的全力信息（z，f，z方向的三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量），它的精度較高，誤差矣0.5%，響應(yīng)時(shí)間為5ms，可以進(jìn)行六路數(shù)據(jù)輸出并且，可以隨時(shí)設(shè)置工作零點(diǎn)，它的測力坐標(biāo)原點(diǎn)也是可以移動，還具有機(jī)械過載保護(hù)功能、自診斷與自較正'以及二級過載報(bào)警等功能。在控制機(jī)器人運(yùn)行過程中，由于存在慣性力，而且機(jī)器人末端的角度也在不停的變化，所以，40 4結(jié)論本文提出了一種應(yīng)用于機(jī)器人裝配任務(wù)中的模糊柔順控制方法，它是利用傳感器獲得的力/力矩信息來對機(jī)器人進(jìn)行控制的。模糊控制方法能夠使機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，模仿人類操作員。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的這種模糊控制方法，對于機(jī)器人的插孔裝配任務(wù)是有效的。
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