机器人柔顺夹爪控制系统设计_李永靠.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第1期自动化技术高速发展，自动控制在日常生活中处处可见。机器夹爪是自动化控制系统中的重要执行部件1，在当今时代自动化生产起着很重要的作用2，机器夹爪的应用提高了生产的安全性和可靠性3，提高了生产效率，机器夹爪是自动化生产过程中的“手”，解放了人的劳动。机器夹爪接受上位机传送的数据和指令，将指令转换成夹爪执行的力度及进行抓取和释放动作4，以达到抓取物件以及转移物件的目的。机器夹爪在夹取不同物品时，通常需要基于物品的不同，对夹取力进行控制，以实现机器人分拣、搬运物品的适应性。机器夹爪为实现对夹取力的控制，通常在夹爪上安装力传感器，以实现夹取力的精确控制，力传感器增加了机器人末端负载及系统的复杂程度，本文通过对执行电机的输出力矩控制，实现对机器夹爪的夹取力控制。1系统结构机器人柔顺夹爪控制系统包括控制器、驱动电路、电机、编码器、串口通信。控制器用于控制夹爪的抓取，通过产生PWM信号，控制驱动电机，电机带动夹爪实现对物品抓取与释放。系统结构如图1所示：图1系统结构图控制器采用STM32F103T8U6，T系列芯片在满足本课题需求 的 同 时 体 积 最 小，有 效 减 少 硬 件 体 积。驱 动 电 路 采 用DRV8876驱动芯片，该芯片集成了空心杯直流功率放大电路及电机电枢电流采集电路，提高机器人夹爪控制电机驱动系统的集成度，减小系统复杂性。机器夹爪实现对夹取物品的柔顺控制是通过控制夹取时的电机电流来完成，控制流程如图2所示。电机驱动系统接收上位机抓取指令，基于物品代码查询需要的夹取力，抓取完成后反馈给上位机信号，保持夹取状态直到接收松开指令，等待下一次抓取命令。2硬件设计STM32F103T8U6是103系列中管脚最少、体积最小的型号。拥有32位CPU，主频为72 MHz，具备脉宽调制、串口通讯等机器夹爪驱动电机所需外设。DRV8876电机驱动芯片是有刷直流电机驱动器，工作电压在4.5至37 V之间，输出负载电流范围广，适用于直流电机控制，控制电路如图3所示。芯片使用低侧功率MOSFET上的电流来检测电机电流，IPROPI引脚上输出与电机电流一定比例电流，设计外部电阻器将比例电流转换为输出电压，将该电压连接到控制芯片的AD变换器，实现对电机电流的检测。图3DRV8876驱动电路机器人柔顺夹爪控制系统设计李永靠万其林心怡马俊哲（南京工程学院自动化学院，江苏 南京211167）Design of Gripper Compliance Control System摘要：机器人末端机械夹爪在机械臂带动下能够完成对物品进行分拣、搬运等过程中的抓取。机器人夹爪在抓取不同的物件时，为避免对物件的损伤，需要控制夹爪的夹紧力。采用空心杯直流电机为驱动部件，设计速度、电流双闭环调速系统，通过对机器夹爪夹取时出力矩的控制，实现了在夹取不同物品时夹紧力的精确控制，解决了机器夹爪在无力传感器的情况下不能柔顺控制夹取的问题。结果表明，通过控制机器夹爪的电机电流能够有效地控制夹取力并能使其分辨率大于20。关键词：机器夹爪；机械臂；双闭环；柔顺控制Abstract:The robot terminal mechanical gripper,driven by mechanical arms,can pick up items in the process of sort-ing and handling.When a robot gripper grasps different objects,the clamping force of the gripper needs to be controlledin order to avoid damage to the objects.In this paper,the hollow cup DC motor is used as the driving part to design thespeed and current double closed-loop speed regulation system.By using the output torque control of the gripper,theclamping force of different items can be precisely controlled,and the compliance control is solved in the absence of a forcesensor in the gripper.The results demonstrate that regulating of the motor current could effectively control the clampingforce of the mechanical gripper with a resolution over 20.Keywords:mechanical gripper,mechanical arms,double closed-loop,compliance control图2抓取流程图39机器人柔顺夹爪控制系统设计图3中，DRV8876驱动芯片6号引脚能够检测电机电枢电流，检测的比例电流与管脚下拉阻值之积为检测电压，需要对6号管检测电阻及电流调节跳闸点等参数进行设计。DRV8876参数如表1所示：表1驱动芯片参数表根据参考手册得出R_IPROPI计算公式为：RIPROPIVADC/（ITRIP*AIPROPI）（1）VREF=RIPROPI（ITRIP*AIPROPI）（2）要最大限度扩大动态IPROPI电压范围，根据式（1）应选择大约3.3 k的RIPROPI，RIPROPI由三个10 k的电阻并联，多个电阻并联可以灵活改变电流反馈系数。使用VREF与RIPROPI的组合可以配置输出电流调节跳闸点。由于此前已计算出RIPROPI，因此AIPROPI是一个常量，这样就只需要计算VREF。由式（2）可知，应将VREF设置为3.3 V，图3的电流检测电路中，增加RC低通滤波器，减小电流检测电路中的干扰。为实现与上位机进行通讯，设计了RS485通讯电路，电路如图4所示，选择MAX3485E为物理接口芯片，包括驱动器和接收器，两者均可独立使能与关闭。当两者均禁用时，驱动器与接收器均输出高阻态。MAX3485具有1/8负载，允许256个MAX3485收发器并接在同一通信总线上。可实现高达12 Mbps的无差错数据传输。图4串口电路3柔顺抓取控制方法柔顺控制能够使夹爪按照给定的力抓取物品不至于对物品造成损伤。图5所示直流电机速度、电流双闭环控制控制结构图，其中ASR表示转速调节器，ACR表示电流调节器，Ta和Tm分别表示电磁时间常数和机电时间常数，为转速反馈系数，为电流反馈系数。图5电机双闭环结构图空心杯直流电机的输出力矩与电机电枢电流成正比例关系，电机输出力矩在夹爪夹取到物品时的夹取力近似成正比例关系，因此控制电流大小可以实现控制机器夹爪的夹取力。ACR实现电机电流的闭环控制，可以实现电机电流精确控制，在电机转速调节器的输出到电流调节器之间，设置电机电流设定值限制环节（图5中虚框部分），在机器夹爪夹取到物品时，电机堵转，速度调节器饱和输出，通过对该值的限制，达到控制夹取力的控制目的。机器夹爪电机柔顺夹取控制流程如图6所示，在完成电机速度、电流双闭环控制基础上，实现夹取力柔顺控制。图6中，在电机启动速度阶跃过程中，电流设定值限制环节为正常额度电流值，不影响电机启动过程，当速度达到设定值时（图6中，当速度偏差小于额度转速的2%时），限制电机电流的最大设定值，实现电机夹取到物品堵转时的夹取力控制。图6软件流程图4测试结果4.1电流环性能测试电流调节器采用比例积分调节器，本文实验控制电机电流额定值为0.092 A，图7、图8分别为电机电流0.06 A、0.1 A时的阶跃响应。由图7、图8可以看出，电机电流响应时间约为5 ms，电流波动小于5 mA左右，以电机最大电流0.1 A计算，电流控制分辨率约为20左右。图7电流阶跃特性（给定0.06 A）图8电流阶跃特性(给定0.1 A)40工业控制计算机2023年第36卷第1期（上接第38页）参考文献1工业互联网产业联盟.工业互联网体系架构2.0R.北京：工业互联网产业联盟，20202亓晋，王微，陈孟玺，等.工业互联网的概念、体系架构及关键技术J.物联网学报，2022，6（2）：38-493李志博，曾鹏，李栋.第一讲:工业互联网架构与关键技术J.仪器仪表标准化与计量，2020（1）：17-19，384罗克韦尔自动化.1756-sg001_-zh-p，选型指南-ControlLogix系统1756系列目录号Z.罗克韦尔自动化，20135罗克韦尔自动化.1756-rm099_-zh-p，安全参考手册-Guard-Logix5570控制器系统Z.罗克韦尔自动化，20136罗克韦尔自动化.oem-br013_-zh-p，Rockwell Automation OEM的合作伙伴Z.罗克韦尔自动化，20137张绍军.硫铵自动包装码垛生产线系统设计D.沈阳：东北大学，2018.09收稿日期：2022-07-064.2速度环性能测试速度控制器采用比例积分调节器，速度传感器是增量编码器，编码器的线数为512线，空心杯有刷电机转一圈编码器会产生对应脉冲数，速度采样周期为10 ms。图9和图10分别为给定值3000 rpm和4000 rpm的转速阶跃特性，速度阶跃响应时间约为250 ms右。图9转速阶跃特性（给定3000 rpm）图10转速阶跃特性（给定4000 rpm）4.3柔顺控制性能测试完成速度电流双闭环控制性能调试后，对机器夹爪的柔顺控制进行了性能调试，图11、图12分别为电流限幅值为0.1 A、0.05 A时的夹取物品速度、电流响应波形，速度设定值为500 rpm。图11、图12中，为速度波形，为电流波形。在机器夹爪未夹取到物品时，电机正常启动运行，当机器夹爪夹取到物品时，电机堵转，转速下降至0，电流由原来稳定值逐渐上升至设定的限幅值。图11双闭环波形图（限幅0.1 A）4.4实验结果本文选取了不同的物品抓取，实现能够用不同的夹持力抓取物品而不至于夹碎物品。选取圣女果（宽约2.5 cm）、熟鸡蛋（宽约4 cm）作为实验器材，夹取物品图片如图13、图14所示。图13圣女果夹取图图14鸡蛋夹取图5结束语本文以STM32F103T8U6微控制器为核心，采用空心杯电机为驱动部件，完成机器人柔顺夹爪控制系统的总体框架设计、电机驱动器控制电路设计，研究了夹爪系统的柔性控制算法。最终实验结果表明：系统架构正确，算法设计合理，可以实现机器人柔顺夹爪控制功能。基于电机电流控制实现机器夹爪的柔顺控制，对夹爪的传动系统有一定的要求，如果夹取物夹爪传动系统的摩擦力矩过大，会影响机器夹爪的最小夹取力控制。参考文献1洪诚康，杨力，江文松，等.基于多深度相机融合的机械臂抓取系统J/OL.计算机集成制造系统：1-1820220520.http:/-