CN114454199A - 一种基于数据控制算法的末端执行器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数据控制算法的末端执行器及其设计方法，针对农业场景自动化生产设备抓取成功率低，损伤大的问题，提出一种基于数据驱动控制的末端执行器系统，包括执行器结构与控制方法两个方面，所述末端执行器机械结构包括：红外位置传感器、连接接口、连接机构、舵机、驱动机构、基座、平行四连杆机构、压力传感器和弧面夹指。本发明采用数据驱动控制算法，设计了PID控制器和偏格式动态线性化无模型自适应(PFDL‑MFAC)控制器，实现了末端执行器系统的力跟踪控制策略。通过RecurDyn和Matlab机械‑控制联合仿真，验证了机械结构的合理性和控制方法的有效性。本发明提高系统跟踪期望抓取力的性能，可以减小末端执行器抓取和搬运球形果蔬的损伤程度。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人领域，尤其设计果蔬机器人抓取成功率低、损伤大的问题，提出一种基于数据驱动控制的末端执行器系统。
背景技术
在机器人抓取和搬运物体过程中，末端执行器是与操作对象直接接触的部分，为了减少此过程对操作对象的损伤，末端执行器控制系统的设计成为了此领域研究人员的重要研究方向。在农业机器人方面，由于实际环境复杂，未知的情况很多，所以改善果蔬抓取的成功率、损伤率等指标已成为相关机器人研究的关键技术。由于球形果蔬具有柔、脆、易损等特性，为了减小夹持和搬运的损伤，需要对末端执行器进行力控制研究，以实现灵巧、柔顺抓取的功能。我国是世界食品、农产品生产大国，末端执行器的力控制研究对我国实现农业自动化采摘具有重要研究价值。
发明内容
本发明提供一种基于数据驱动控制算法的末端执行器及其设计方法，旨在通过使用末端执行器夹取过程中驱动电机转角输入数据和接触力偏差输出数据实现接触力跟踪控制，有效改善果蔬抓取的成功率、损伤率。
本发明提供的技术方案如下：本发明提出一种基于数据控制算法的末端执行器及其设计方法，主要包含以下内容：
一种基于数据控制算法的末端执行器，包括：红外位置传感器1、连接接口2、连接机构3、舵机4、驱动机构5、基座6、平行四连杆机构7、压力传感器8和弧面夹指9，所述连接接口2将红外位置传感器1与末端执行器结合，使红外位置传感器1处于检测抓取对象的合适位置；通过所述连接接口2和连接机构3使末端执行器与机械臂组装；所述连接机构3、舵机4、驱动机构5和平行四连杆机构7都连接在基座6上，所述压力传感器8嵌入在弧面夹指9的中心，与抓取对象直接接触并反馈压力。
所述一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，包含以下步骤：
步骤一、末端执行器设计：针对球形果蔬形状设计专用末端执行器结构，并且可以通过机械接口与Baxter机器人手臂连接；
步骤二、运动学分析：针对末端执行器机械结构进行运动学分析，研究位置、速度和加速度三个方面与时间的变换；确定设计的末端执行器两个弧面夹指的运动范围与行程，并确定关键点两个弧面夹指中心的运动轨迹；
步骤三、动态线性化：根据末端执行器系统抓取力控制策略，利用偏格式动态线性化无模型自适应控制器PFDL-MFAC来解决末端执行器控制问题，证明包含控制器实际系统的合理性；
步骤四、PFDL-MFAC控制器设计：根据末端执行器系统动态线性化，设计PFDL-MFAC控制策略，并与传统PID控制器进行对比分析；
步骤五、将设计的控制器通过RecurDyn和Matlab机械-控制联合仿真，无模型自适应控制在调节时间、超调等控制指标上的效果优于传统PID控制，实现期望力跟踪控制。
进一步地，步骤一所述末端执行器设计的实现过程如下：根据球形果蔬物理形状设计具有包络功能的末端执行器，并将末端执行器夹指弧面设计成仿人类指纹的凹凸纹理，增加静摩擦力的效果。
进一步地，步骤二所述运动学分析的实现过程如下：针对末端执行器，研究位置、速度和加速度三方面与时间的变化关系，根据RecurDyn仿真软件完成点角度、角速度和角加速度三方面的仿真分析，并根据仿真和末端执行器实物验证关键点运动轨迹，说明机械结构设计是合理的。
进一步地，步骤三所述动态线性化的实现过程如下：根据实际抓取果蔬的过程设计控制流程图，使用压力传感器和红外位置传感器作为感知部分，在控制器部分使用PFDL-MFAC控制器，并证明包含控制器实际系统的合理性。
进一步地，所述步骤四PFDL-MFAC控制器设计的实现过程如下：对末端执行器系统进行动态线性化后，设计PFDL-MFAC控制策略，采用的控制方案如下：
其中，μ∈(0，2)；∈为一个小正数；
为
的初始值。上式为重置算法，增强PG估计算法的跟踪时变参数的能力；
为了估计舵机转角的控制输入，列出如下关于控制输入的准则函数：
J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2
其中y*(k+1)∈R输出抓取对象和末端执行器的接触力的期望值，λ＞0是一个控制输入变化的权重因子；
则可得u(k)：
其中ρi∈(0，1]且i＝1，2，..，L；u(k)是末端执行器的输入，为舵机的驱动转角；y(k)是末端执行器的输出，为抓取对象和末端执行器的实际接触力。
进一步地，步骤五RecurDyn和Matlab机械-控制联合仿真的实现过程如下：将通过RecurDyn和Matlab进行机械-控制联合仿真；利用RecurDyn/Control功能接口与Simulink数据交互，实现末端执行器机械系统和控制系统结合；通过共同建模、耦合计算，验证末端执行器系统机械结构的合理性和控制方法的有效性；为了体现无模型自适应控制在调节时间、超调等控制指标上的效果，分别对系统采用经典PID控制和PFDL-MFAC控制，并进行对比分析。
本发明的有益效果：本发明专利提出一种基于数据驱动控制算法的末端执行器设计，包括末端执行器机械结构设计和控制系统设计两个方面。优势在于该末端执行器系统无需任何末端执行器的信息，而仅需使用末端执行器夹取过程中驱动电机转角输入数据和接触力偏差输出数据可以实现接触力跟踪控制，效果很好。本发明的末端执行器系统具有结构简单、控制难度小、适用性强、抓取稳定和防止物体破损的特性。结合机械臂，本发明所提出的装置可广泛用于球形果蔬采摘、分拣等场所。
附图说明
图1、末端执行器的主视图。
图2、图1的侧视图。
图3、末端执行器俯视图。
图4、末端执行器运动学仿真环境和过程。
图5、是图4的立体视图。
图6、末端执行器运动学仿真结果。
图7、末端执行器系统抓取力控制策略。
图8、机械-控制联合仿真模型。
图9(a、b)、在期望力为4N的工况下，PFDL-MFAC控制系统的调节时间为2.29s，机械-控制联合仿真结果，其中：
图9(a)、球形果蔬与弧面夹指接触力变化；
图9(b)、舵机的驱动角度变化。
图10(a、b)、在期望力为7N的工况下，PFDL-MFAC控制系统的调节时间为2.06s，机械-控制联合仿真结果，其中：
图10(a)、球面果蔬与弧面夹指接触力变化；
图10(b)、舵机的驱动角度变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作出详细的说明，使得发明目的、技术方案、特征等更加易于理解，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例仅用于解释本发明，而不是对本发明的限定。
本发明提出一种基于数据控制算法的末端执行器设计，完整方法可由以下步骤说明：
步骤一，末端执行器设计：
机器人末端执行器是抓取动作的最终执行机构，它通过机械臂末端的预设机械接口连接固定。合理地设计农业机器人末端执行器的机械结构，可以提高抓取效率，降低设备成本。由于球形果蔬表皮易损，末端执行器的夹指应具有一定的包络功能。已证明弧面夹指可以增大末端执行器与球形果蔬之间的接触面积，从而减少抓取损伤。同时，在末端执行器夹指的弧面设计了仿人类指纹的凹凸纹理，避免球形果蔬在夹取或者搬运时产生滑落。两指节的末端执行器可以实现球类果蔬的夹取，并且控制难度小，成本低。本发明采用SolidWorks设计的末端执行器机械结构如图1和图2所示。末端执行器机构包括红外位置传感器1、连接接口2、连接机构3、舵机4、驱动机构5、基座6、平行四连杆机构7、压力传感器8和弧面夹指9。
步骤二，运动学分析：
对末端执行器机械结构进行运动学分析，研究位置、速度和加速度三方面与时间的变化关系。主要确定设计的末端执行器两个弧面夹指9的运动范围和行程，并确定关键点两个弧面夹指9中心的运动轨迹。从动力学分析角度讲，本发明设计的末端执行器输入与输出呈较为复杂的非线性关系。因此本发明把末端执行器模型导入RecurDyn中作为被控对象，并完成驱动点角度、角速度和角加速度三方面的仿真分析。经过模型前处理、仿真分析计算和仿真结果后处理三个步骤，末端执行器运动学仿真环境和过程如图4所示。具体表示末端执行器运动角度α＝90°，α＝45°，α＝0°的运动状态，弧线表示关键点两个弧面夹指9中心的运动轨迹，立体视图如图5所示。图6是驱动点的角度、角速度和角加速度随时间变化情况，驱动点指末端执行器系统中舵机4与平行四连杆机构7的连接点。
按照仿真机械结构，制作了同比例尺寸的末端执行器实物，其中弧面夹指9的尺寸为直径47.60mm，深度2.98mm，凹凸纹理2.00mm。搭建的抓取实验平台，通过连接接口2与Baxter机器人手臂连接。在杆件之间的旋转轴处增加的微型压力轴承，可以减小末端执行器工作过程中的摩擦力。由运动学仿真和末端执行器实物测试可知，本发明设计的末端执行器机构杆件的位置合理，各个杆件之间没有发生干涉，关键点的运动轨迹与期望的一致。因此，说明末端执行器设计的机构紧凑，能正常工作，不存在卡死现象。
步骤三，动态线性化：
本发明使用的末端执行器系统抓取力控制策略如图7所示。末端执行器通过红外光电传感器1判断目标位置，距离小于参考位置xa时，末端执行器系统的弧面夹指9开始夹取球形果蔬。随后弧面夹指9与抓取对象接触，将力偏差ef作为数据驱动控制器的输入，即参考力fd和实际接触力f的差。实际接触力f通过压力传感器8测量传给微控制器。控制算法嵌入到微控制器中，输出电信号控制末端执行器系统的执行机构，使实际接触力输出跟踪期望力，从而实现末端执行器的抓取力控制。所述执行机构包括舵机4、驱动机构5、平行四连杆机构7和弧面夹指9。
本发明利用PFDL-MFAC来解决末端执行器系统控制问题。由于末端执行器系统是一个单输入单输出(SISO)的离散非线性系统，为了便于阅读，下面给出了SISO非线性系统PFDL的一般形式。考虑以下具有SISO的非线性系统，公式如下：
y(k+1)＝f(y(k)，…，y(k-ny)，u(k)，…，u(k-nu))
其中u(k)∈R，y(k)∈R分别是系统在时间步长k的接触力和转动角度，ny和nu都是正整数，
是一个非线性函数。
所提出的末端执行器系统的输入和输出分别是末端执行器驱动电机的转动角度，抓取对象和末端执行器的接触力。
定义UL(k)∈RL为一个滑动时间窗口[k-L+1，k]内的所有控制输入信号组成的向量如下：
UL(k)＝[u(k，…，u(k-L+1))]T
且满足当k≥0时，有UL(k)＝0L，其中L是整数，表示控制输入线性化长度常数；0L是维数为L的零向量。
为了建立PFDL数据模型，利用MFAC策略，本发明提出了以下假设：
假设1：f(…)关于第(ny+2)个变量到(ny+L+1)个变量分别存在连续偏导数。
假设2：系统符合广义的Lipschitz条件即对于任意k1≠k2，k1，k2≥0和UL(k1)≠UL(k2)有
|y(k1+1)-y(k2+1)|≤b||UL(k1)-UL(k2)||
其中y(ki+1)＝f(y(ki)，...，y(ki-ny)，u(ki)，...，u(ki-nu))，i＝1，2，...，b为正常数。
从实际的角度来看，上述对末端执行器系统和其他受控系统的假设是合理的，可接受的。这是非线性系统的一个典型假设。假设2是末端执行器控制系统的一个物理约束条件，即末端执行器驱动电机的转动角度的有限变化不能引起抓取对象和末端执行器的接触力的无限变化，这对于实际系统是合理的。
定理1：考虑满足假设1和2的非线性系统(1)，给定L，当||ΔUL(k)||≠0时，一定存在一个时变参数向量，称为伪梯度(PG)这样系统(1)可以转化为PFDL数据模型：
其中，Δy(k+1)＝y(k+1)-y(k)，ΔUL(k)＝UL(k)-ΔUL(k-1)且对于任意时刻k，φP，L(k)＝[φ1(k)，…，φL(k)]T是有界的。
步骤四，PFDL-MFAC控制器：
对末端执行器系统进行动态线性化后，可以设计PFDL-MFAC控制策略。设PG的估计准则函数为公式为：
其中，μ＞0是权重因子，可以惩罚PG估计过度变化；
为未知ΦP，L(k)的估计值。PG利用矩阵求逆定理可得：
其中，μ∈(0，2)；∈为一个小正数；
为
的初始值。上式为重置算法，增强PG估计算法的跟踪时变参数的能力。
为了估计舵机转角的控制输入，列出如下关于控制输入的准则函数：
J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2
其中y*(k+1)∈R输出抓取对象和末端执行器的接触力的期望值，λ>0是一个控制输入变化的权重因子。
则可得u(k)：
其中ρi∈(0，1]且i＝1，2，…，L。
步骤五，联合仿真验证：
在这一部分，将通过RecurDyn和Matlab机械-控制联合仿真。利用RecurDyn/Control功能接口与Simulink数据交互，实现末端执行器机械系统和控制系统结合。其目的是实现共同建模、耦合计算，验证末端执行器系统机械结构的合理性和控制方法的有效性。
在本发明专利的实施例中，为了体现无模型自适应控制在调节时间、超调等控制指标上的效果，分别对系统采用经典PID控制和PFDL-MFAC控制，联合仿真模型参阅图8所示，PID控制器和PFDL-MFAC控制器的初始参数设置如下：
联合仿真结果表明：在期望力为4N的工况下，PID控制和PFDL-MFAC控制都能实现末端执行器系统的力跟踪控制。PFDL-MFAC控制系统的调节时间为2.29s，最大超调量为11.3％；PID控制系统的调节时间为2.78s，最大超调量为45.8％，如图9所示。在期望力为7N的工况下，PFDL-MFAC控制系统的调节时间为2.06s，最大超调量为16.4％；PID控制系统的调节时间为2.37s，最大超调量为30.4％，如图10所示。因此，本实施例可以说明PFDL-MFAC控制系统在快速性、超调量等动态响应特性都优于PID控制，本发明提出的基于数据驱动控制算法的末端执行器系统，采用PID控制算法和PFDL-MFAC控制算法都能实现末端执行器系统的力跟踪控制，并且稳态性能良好。
综上所述，本发明提出基于数据驱动控制算法的末端执行器系统，能够有效、准确的实现末端执行器系统的力跟踪控制。与PID控制相比，PFDL-MFAC控制效果更符合球形果蔬夹取和搬运的实际工况需求，可以减小或者避免末端执行器抓对球形果蔬造成的损伤，从而实现无损抓取的目标。结合Baxter机器人或者其他农业机器人，本发明所提出的装置可广泛用于球形果蔬采摘、分拣等场所。
以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此。对于本发明专利所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明专利技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、结构的替换，都应当落在本发明专利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数据控制算法的末端执行器，其特征在于，包括：红外位置传感器(1)、连接接口(2)、连接机构(3)、舵机(4)、驱动机构(5)、基座(6)、平行四连杆机构(7)、压力传感器(8)和弧面夹指(9)，所述连接接口(2)将红外位置传感器(1)与末端执行器结合，使红外位置传感器(1)处于检测抓取对象的合适位置；通过所述连接接口(2)和连接机构(3)使末端执行器与机械臂组装；所述连接机构(3)、舵机(4)、驱动机构(5)和平行四连杆机构(7)都连接在基座(6)上，所述压力传感器(8)嵌入在弧面夹指(9)的中心，与抓取对象直接接触并反馈压力。
2.如权利要求1所述一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，包含以下步骤：
步骤一、末端执行器设计：针对球形果蔬形状设计专用末端执行器结构，并且可以通过机械接口与Baxter机器人手臂连接；
步骤二、运动学分析：针对末端执行器机械结构进行运动学分析，研究位置、速度和加速度三个方面与时间的变换；确定设计的末端执行器两个弧面夹指的运动范围与行程，并确定关键点两个弧面夹指中心的运动轨迹；
步骤三、动态线性化：根据末端执行器系统抓取力控制策略，利用偏格式动态线性化无模型自适应控制器PFDL-MFAC来解决末端执行器控制问题，证明包含控制器实际系统的合理性；
步骤四、PFDL-MFAC控制器设计：根据末端执行器系统动态线性化，设计PFDL-MFAC控制策略，并与传统PID控制器进行对比分析；
步骤五、将设计的控制器通过RecurDyn和Matlab机械-控制联合仿真，无模型自适应控制在调节时间、超调等控制指标上的效果优于传统PID控制，实现期望力跟踪控制。
3.如权利要求2所述的一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，其特征在于，步骤一所述末端执行器设计的实现过程如下：根据球形果蔬物理形状设计具有包络功能的末端执行器，并将末端执行器夹指弧面设计成仿人类指纹的凹凸纹理，增加静摩擦力的效果。
4.如权利要求2所述的一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，其特征在于，步骤二所述运动学分析的实现过程如下：针对末端执行器，研究位置、速度和加速度三方面与时间的变化关系，根据RecurDyn仿真软件完成点角度、角速度和角加速度三方面的仿真分析，并根据仿真和末端执行器实物验证关键点运动轨迹，说明机械结构设计是合理的。
5.根据权利要求2所述的一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，其特征在于，步骤三所述动态线性化的实现过程如下：根据实际抓取果蔬的过程设计控制流程图，使用压力传感器和红外位置传感器作为感知部分，在控制器部分使用PFDL-MFAC控制器，并证明包含控制器实际系统的合理性。
6.根据权利要求2所述的一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，其特征在于，所述步骤四PFDL-MFAC控制器设计的实现过程如下：对末端执行器系统进行动态线性化后，设计PFDL-MFAC控制策略，采用的控制方案如下：
其中，μ∈(0，2)；∈为一个小正数；
为
的初始值，上式为重置算法，增强PG估计算法的跟踪时变参数的能力；
为了估计舵机转角的控制输入，列出如下关于控制输入的准则函数：
J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2
其中y*(k+1)∈R输出抓取对象和末端执行器的接触力的期望值，λ＞0是一个控制输入变化的权重因子；
则可得u(k)：
其中ρi∈(0，1]且i＝1，2，...，L；u(k)是末端执行器的输入，为舵机的驱动转角；y(k)是末端执行器的输出，为抓取对象和末端执行器的实际接触力。
7.如权利要求2所述的一种基于数据控制算法的末端执行器设计方法，其特征在于，步骤五RecurDyn和Matlab机械-控制联合仿真的实现过程如下：将通过RecurDyn和Matlab进行机械-控制联合仿真；利用RecurDyn/Control功能接口与Simulink数据交互，实现末端执行器机械系统和控制系统结合；通过共同建模、耦合计算，验证末端执行器系统机械结构的合理性和控制方法的有效性；为了体现无模型自适应控制在调节时间、超调等控制指标上的效果，分别对系统采用经典PID控制和PFDL-MFAC控制，并进行对比分析。
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘世达: "数据驱动建模与无模型自适应控制及在复杂工业系统中的应用", "中国博士学位论文全文数据库 (信息科技辑)" * |
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