双关节机械手最优轨迹控制算法优化

自动化控制

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Automatic Control双关节机械手最优轨迹控制算法优化文/赵连娟摘

要在本文中，通过利用三次样条函数差值以及差分算法进化来进行轨迹优化，使运行轨迹接近参考轨迹，并确保在运行中消耗的总能量尽量减小。并通过MATLAB仿真验证算法合理性。【关键词】双关节机械手 轨迹优化 MATLAB

差值与差分算法A直角坐标型 B圆柱坐标型 C球坐标型 D关节型图1：机械手主要类型1 控制现状常见工业机器人就是利用对于机械手中的伺服电机进行控制，准确控制机械手自由端运行轨迹，常见类型有：直接坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型。如图1所示，关节型机械手运行轨迹通过极坐标来研究。关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动形式。它由仿生学设计而来，可实现多个自由度自由连接，动作灵活，适于在狭窄空间工作。在本文中主要研究关节型机械手的控制算法优化问题。工业机械手在运行中就会面临着抖动，而抖动会增加额外的能量输出从而引起轨迹变化。工业机械手的轨迹规划主要有两种：一种是对机械手的路径轨迹规划，另一种是对机械手运动过程中的位移、速度以及加速度的曲线轮廓规划。对于多关节机械手来说，运行轨迹是不固定的，所以可以从运行轨迹分析系统，也能从能量角度上减少能量损失，对其速度、加速度进行算法优化控制。在传统控制过程中，一般采取普通差分算法，通过样条插值逐渐逼近控制最优参数。2 算法优化方法由于简单的三次样条函数差值优化算法会产生抖动，规划曲线不够平滑，所以要对原算法进行优化。对于双关节机械手每一关节的摆线运动学方程表达式描述如式（1）： （1）对运行轨迹离散化，对其进行采样，采样时间选择为<<上接117页本次测量共耗时16分钟，测量管脚106只。

经实际测试CCD芯片管脚漏电流试用，该电路能满足各类常用CCD芯片管脚漏电流测试。该电路元器件选型及各参数设计达到了预期的设计目的。4 结论本文介绍了一种多通道的自动化CCD固体传感器漏电流测量装置的设计与实现。使用该系统，最多可以一次同时完成384个通道的漏电流测量，适用于各类常规CCD器件，极大提高了探测器筛选时的效率。使用该系统极大的避免器件测试时的损坏，同时测得的结果误差小，并且系统还具有成本低和操作简单等优点，极大地节约了人力物力。本系统已经投入使用，效果良好。在其他需要测量大批探测器漏电流的，本系统具有很重要的参考价值。图3：多通道自动化CCD漏电流测试装置实物图[2]刘少真,顾煜栋,曹学蕾.多通道Si-PIN探测器漏电流测量系统的设计和实现[J].核电子学与探测技术,2016,36(06):625-627+650.[3]李忠昊.一种快速电解电容器漏电流测量方法的设计[J].电子质量,2015(12):19-22.作者简介张婷婷（1987-），女。硕士学位，工程师，从事CCD、CMOS电路测试及相机产品设计。参考文献

[1]谢珺耀,谢秀镯.半导体器件管脚漏电流检测技术的研究[J].电子工业专用设备,2010,39(08):45-48.作者单位中国电子科技集团公司第四十四研究所 重庆市 401332118 •电子技术与软件工程

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自动化控制•图2：理想轨迹、最优轨迹及轨迹跟踪图3：控制输入信号图4：最优轨迹的优化效果 图5：目标函数的优化过程参考文献，可得离散化后的参考轨迹为： （2）设经过调节，系统能达到稳态的最大允许时间为，考虑能量守恒定理，经过求在仿真中取入信号控制器，采样时间取，采用样条差值方法，差值点取200、400、600、800，在每个段中取4个随机点。仿真结果如图2、图3、图4、图5所示。导计算出最小能量消耗，第i个机械臂所消耗的最小能量表达式为：（3）其中ωi为权值，τ为控制输入信号，为实际轨迹与理想轨迹的差值。针对双关节机械手，总的目标函数为： （4）在这里控制输入信号使用PD控制器： （5）其中e定义跟踪误差。其中，

，[1]刘金琨.机器人控制系统设计与MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社,2017.[2]宋伟刚.机器人学-运动学.动力学与控制[M].北京：科学出版社,2016.[3]尔桂花.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社,2015.[4]班华,李长友.运动控制系统[M].北京：电子工业出版社,2012.[5]王兴松.精密机械运动控制系统[M].北京：科学出版社,2009.且其一阶导数、二阶导数初值均为0矩阵，输4 结语经过算法优化可见，运行轨迹平稳，目标函数优化速度较快，机械手运行稳定，无抖动。在初始运动时由于重力作用，力学变化较为剧烈，所需调节输入调整较多，这一部分可以通过调高采样频率使其更加平稳。作者简介赵连娟，（1984-），女，吉林省长春市人。硕士学位。陕西国防工业职业技术学院副教授。主要研究方向为工业控制系统设计。3 MATLAB仿真双关节机械手的动力学模型可描述为： （6）作者单位陕西国防工业职业技术学院机电工程学院 陕西省西安市 710300Electronic Technology & Software Engineering

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