李佳兵 王茜 高紫韵 李欢 刘欣 郭培鑫茜 高紫韵 李欢 刘欣 郭培鑫

摘要：伴随着不断加快的工业化进程，机械臂因其精度高、灵活性高的优良特性被广泛应用于各种复杂的工业作业中，重载机械臂不仅要有足够的负载能力，还需要更高的精准度，以便于作业中精准的安装。基于此，加入PSO优化算法，对重载机械臂载荷参数自动控制系统在硬件及软件方面进行新的设计，并通过与传统载荷控制系统进行对比结果表明新的系统更加精准、有效。

关键词：PSO优化算法;重载机械臂;载荷参数;自动控制;

中图分类号：TP241文献标识码：A

0引言

机械臂是一种高精度、多输出、非线性的复杂系统。由于其特有的操作灵活性，已经被广泛的应用于工业装配、安全防爆等领域之中。目前国内外研究学者正在进行机械臂的动力学以及控制方面的研究，能够让机械臂更好地完成预期的效果。在大型的装配线上，重载机械臂要满足更高的精准度，因此需要对重载机械臂的载荷参数进行精确的自动化控制。但是由于产生的高负载影响，很可能会造成系统的参数不准确以及使重载机械臂产生巨大的惯性现象，影响任务工业作业^[1]。为了防止这一问题的产生，本文利用PSO优化算法对重载机械臂载荷参数自动控制进行新的设计。

1重载机械臂载荷参数自动控制系统硬件设计

在对重载机械臂载荷参数自动控制系统的硬件进行设计时，首先要考虑到进行平面运动的重载机械臂的结构，图1为重载机械臂的结构示意图。L1表示与基座相连接的连杆，L2表示与L1相连接的连杆，L3表示与L2相连接的连杆，其中L1可以在范围内以基座为轴进行90°的旋转，L2可以在x1轴上进行180°的旋转，L3只可以由x2轴转动到x3轴上。

基于重载机械臂的结构示意图，新的系统设计中主要硬件分为以下几个部分组成：一套PLC设备，两套运动控制设备、工业计算机设备。在对机械臂进行控制时还需要两台机械臂的公共液压站和操作台操作的逻辑控制设备。运动控制设备的功能是为了让机械臂可以自动进行运动的控制，通过一台工业计算机可以控制两套机械手臂控制系统的软件，可以通过操作台上的按钮随时切换两套系统软件以实现不同机械臂的操作画面。

本设计中采用的运动控制器是一种多轴运动控制器，同时这种控制器也是世界上功能最全、计算速度最快、可靠性较高的运动控制设备之一。这种控制器中所采用的处理器是数字信号处理器。这种控制器的主体外观呈现三个U型框架结构，CPU是通过IP协议与上位机进行交流，同时也可以通过网络连接进行控制，另外控制器还支持USB以及光纤等方式进行传输。运动控制器具有灵活的编程语言，最多可以同时控制24轴进行运动，具有优良的直线、曲线加减速、PLC控制能力等^[2]。控制器主要由电源、CPU、轴卡等模块组成。其中轴卡是一种带有输出信号的模拟量输出卡，最多可以同时进行控制5 根轴。

2重载机械臂载荷参数自动控制系统软件设计

2.1PSO优化算法

PSO优化算法又称粒子群优化算法，是一种利用种群行为的并行全局的搜索方法^[3]。PSO优化算法与其他算法相比较，也是利用群体和进化的概念完成。根据单一个体的适应值大小进行相应的操作，以粒子为单位找出自身的最佳值和整个种群中的最佳值以完成优化的过程。

在重载机械臂载荷参数自动控制系统中，利用PSO优化算法在最大载荷和最小载荷范围内进行搜索，系统中粒子表示范围内的不同载荷，假设在T时刻，某一粒子i的载荷数为Q_i，每个粒子的速度为V_i，在运动过程中将最佳的载荷数计为P，重载机械臂在经过的最佳状态计为G，在下一时刻T+1时，更新的公式如下：

在公式中，m表示惯性权重、c₁c₂表示为加速度的常数、r_1、r₂表示在0-1中间的相互独立的随机数。利用PSO优化算法的基本流程是：首先随机产生N个载荷数最为初始的初始粒子群体;再通过公式计算出每个粒子的适应度;将计算出的适应度与个体当前的最佳位置进行比较，若结果好则替换当前位置作为最好位置P;再与全局的最好位置进行比较，若还是好于全局最佳位置则将其替换掉当前的位置作为全局最好位置G;获得的G通过上述公式得到具体的位置与速度;若未达到事先要求的条件，则返回到第二步重新获得粒子的适应度。

2.2力矩控制系统

在普通的机械臂的控制系统的设计中，假设一个精确已知的系统控制参数，控制器的设计由计算力矩的方法完成，并且能够保证系统的控制达到稳定。但是在工况较复杂且多变的重载机械臂的载荷参数自动控制系统中，由于摩擦力以及其他外界的干扰造成模型不易確定，导致利用计算力矩法对系统进行设计很难满足要求的效果^[4]。因此为了克服由于系统的不确定性造成重载机械臂控制系统的影响，在此增设一个标称的计算力矩控制器系统，并增加一个滑模神经网络补偿系统，通过两者的共同作用完成对重载机械臂载荷参数的自动控制。

2.3 PLC 软件结构

在本文设计的控制系统中采用了一套PLC设备控制两台机械臂，为了使PLC设备中的软件结构化，并且同时能够减少调试所需要的时间，将机械臂的所有功能都按照不同的FA和FB实现，FA主要是由液压站控制、机械臂操作模式对FA进行转化、机械臂自动控制、PLC以及各机械臂通信数据的发送与接收、与机械臂相连的设备接口的通信、机械臂警报系统等组成。FB主要包括机械臂自动限幅以及位置的判定、S型曲线斜坡函数发生器、判断与其相邻的设备通信状态设备等组成。

在作业过程中，机械臂与相邻的设备间的距离很近，为了避免由于机械臂造成的误动对相邻设备和机械臂本身造成破坏，因此在PLC中要加设32个参考位点，机械臂只允许在这32个参考位点中的某一位置进行伸缩、升降以及夹钳开闭的动作，在除32个参考位点以外的位置上只允许在机械臂收缩的情况下进行旋转运动，并且所有功能都需要由机械臂自动限幅以及位置判断FA配合机械臂自动控制FB来实现。同时为了能够让机械臂的动作更加柔和，减少机械冲撞造成的破坏，在机械臂加减速的过程中加设S型加速曲线，发生器FA给定速度的大小，S型加速时间生成加减速的时间。再根据比例阀控制机械手油缸的给油流量，从而可以控制机械手的运动速度完成相应的作业。

2.4运动控制软件结构

运动控制器中最重要的三个类型程序分别为PLC程序、PLCC程序以及Program运动程序，PLCC程序的作用是将编程软件中编制的程序通过编辑和翻译生成机器码，然后再下装到运动控制器中并执行。因为运动控制器中执行的是机器码，而PLCC程序本身所占用的内存很小，因此运动控制器工作时的效率和速度都有很大幅度的提高^[5]。而PLC程序是将软件中编制的程序直接以文本的形式下装到运动控制器中，由控制器解释并执行。通过两种程序的循环扫描执行，以完成系统中逻辑的运算以及数学的计算。Program运动程序主要是用来完成机械臂中机械的运动控制，将每一个机械臂的运动轨迹都与对应的运动控制器的轴相对应，并且将几个有关联的轴组成一个坐标系，然后通过设置相应的参数对坐标系中的每个坐标进行特定的控制。每个轴都与运动控制器中的电机对应，通过设置对应的参数对机械臂的每个动作和运动路线进行特定的控制。Program运动程序需经过相关工作人员在软件中根据一定的规则进行编制而自动生成，由工作人员下装到运动控制器中并执行。

同时在对机械臂的载荷参数控制中，为了减少CPU的负荷以达到提高控制精度的目的，所有的计算都采用PSO优化算法进行，主要完成对数据的更新以及通信数据的刷新;根据PLC设备发送给运动控制设备的各个轴的前后位置限定来实现以下三个功能：1）判断机械臂下一个工作是否被允许执行;2）实现机械臂运动模式的自由切换和暂停;3）在紧急情况下可以迅速缩回机械臂。

3实验论证分析

为了验证本文设计的基于PSO优化算法的重载机械臂载荷参数自动控制系统的精准度以及可行性，与传统的机械臂载荷控制方法进行对比。在其他外界条件不变的情况下，分别利用两种方法对重载机械臂的载荷进行控制，并将实验中的相关数据绘制成如图2所示的曲线图。

图2中虚线表示传统的机械臂载荷控制方法的精准度，实线表示为本文基于PSO优化算法的重载机械臂载荷参数自动控制系统，通过图2曲线图可以清晰地看出，本文所介绍的方法对于机械臂载荷的自动化控制更加准确，基本维持在百分之九十以上，而传统的方法难以达到百分之九十，且随着时间的增加，精准度逐渐降低。导致传统方法准确率低的主要原因是因为在实验的过程中机械臂产生的摩擦以及外界的其他的干扰因素造成的。而基于PSO优化算法的系统可以避免这些因素的干扰，使其无法影响控制的结果，增加了精准度的同时提高了系统的动态性能。

4结束语

本文在设计新的重载机械臂载荷参数自动控制系统时是根据机械臂的线性模型提出的，因此这种方法只能在特定的工作中进行，所以在使用这一系统时需要保证系统的捕获过程中处在同一工作点。在日后的研究中还需要找出更具普遍适用性的系统方法。

参考文献

[1] 王琥， 胡立坤， 谭颖. PSO优化的六自由度机械臂全局快速终端滑模控制[J]. 智能系统学报， 2017， 12（12）：266-271.

[2] 禹鑫燚， 詹益安， 洪学劲峰，等. 基于粒子群算法的6自由度机械臂動力学模型参数辨识[J]. 高技术通讯：中文， 2017， 27（17）：625-632.

[3] 郝春玲. 一种基于粒子群优化（PSO）算法的全局快速终端滑模控制方法[J]. 电子器件， 2017， 40（35）：1304-1308.

[4] 佚名. 基于改进粒子群算法的焊接机器人轨迹优化控制方法[J]. 高技术通讯， 2018， 28（25）：425-433.

[5] 辛鹏飞， 荣吉利， 吴志培，等. 基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计[J]. 北京理工大学学报， 2017， 37（28）：813-817.