智能开罐机机械手控制算法的设计

机器人技术 文章编号：1008-0570(2008)09-2-0185-02 智能开罐机机械手控制算法的 Design of Control Algorithm of Intelligent Manipulator Cans Rolling M achine f1．上海医疗器械高等专科学校；2．华东理工大学)季 冰 Jl Bing 摘要：近年来随着软 包装材料及工艺的发展 ，软 包装罐头开始零星 出现。用于玻璃瓶罐头加工的包装机械的研究，对我国罐 头行业的持续发展起着非常重要的作用。本文设计了智能开罐机机械手的控制算法，通过采用先进控制算法对电机电流进 行控制．精确调整机械手抓瓶力量和机械手旋盖力矩 ，完成开罐动作 的优化控制。 关键词：机械手；开罐机；算法；模糊控制 中图分类号：~P872 文献标识码：A Abstract：Recently，as the de~fopmem of the soft packing material and the crafts，the soft packing cans appear，but just a little． The rlesear℃h of the packing mechanism used for the glass bottle cans， plays an important role in the development of the cans indus- try in our country． The new type of bottle rolling machine described in this paper is called Manipulator Bottle Rolling Machine． Its controlling precision is achieved by watching and controlling the motor current． The machine can adjusts the strength of snatching bottles and the moment of rolling，then achieves an optimize control、 Key words．-M echanical Arm；C8ns Rolling M achtne；Algorit~ ；Fuzzy Control 1引言 我国农产品丰富，对各种农产品进行加工的罐头生产行业 在我国发展迅速 ，用于玻璃瓶罐头加工的包装机械的研究，对 我国罐头行业的持续发展起着非常重要的作用。开罐机主要用 于玻璃瓶和PET瓶的螺纹盖封口。旋盖电机控制是开罐机机械 手设计的重点，本文讨论针对旋盖电机转距和转速综合控制。 现代控制理论和智能控制理论都得到了充分的应用，如采用神 经网络控制、模糊控制、变结构、参数自造应控制等各种先进控 制策略对无刷直流电机进行控制。本系统将采用模糊算法进行 旋盖电机控制，调节旋盖电机的旋盖力矩。 2开罐机械手运动分析 由于开罐机械手安装在旋转工作台，并与工作台同步运 动，即必须与待旋盖的瓶子同步运动。除了这个同步运动外 ，机 械手须完成的动作还有：机械手下降抓瓶、机械爪旋转旋盖、机 械手跟踪旋转运动下降。开罐机械手运动规划如图 1所示。 下 抓 旋 手 下 豸 曩 __ 磊 薏 }4旋盏结束 下降电机减速1 。叫 图 1开罐机械手运动规划 当罐头瓶进入旋盖工位后 ，机械手必须快速下降，定位到 罐头瓶 口。要提高机器生产效率，必须将机械手快速定位到特 定位置，以便进行旋盖运动。同时，机械手抓瓶力矩要求精度很 高，也就是对电机力矩的控制精度要求很高，不然会影响到罐 头质量。因此，该运动过程设计的电机控制技术是电机快速定 季 冰：硕 士研 究生 助教 位技术、电机旋转力矩精确控制技术。 机械手下降到位后，机械爪旋转进行旋盖动作，同时机械 手跟踪机械爪旋转运动，按一定比例下降。对旋盖电机，需要使 用到电机力矩精确控制技术，电机位置控制及检测技术。对驱 动机械手下降的电机，则需要使用到电机跟踪技术，它必须按 特定比例跟踪旋盖电机速度，因为瓶盖旋转时存在下降运动， 而这两个运动是关联的。 当判断到旋盖动作、旋盖指标达到要求时，旋盖电机、机械 手下降运动电机。旋盖指标达包括旋盖力矩 、电机位置两方面 的要求。鉴于旋盖电机控制的复杂性 ，本文选取旋盖电机控制 进行算法设计 ，文中采用模糊控制进行旋盖电机控制。 3模糊控制及模糊控制器的原理与组成 模糊控制 uzzy Contro1)是一种以模糊集合论、模糊语官 变量及模糊逻辑推理为基础的新型计算机控制方法。模糊 控制是模糊数学的基础上发展起来的，通过计算机或者各种微 处理器来实现。 目标值— — 二 噩团 壅塑垂 匿卜 ]塑麴亘]I 二 j ]T+输出值 j L⋯ ⋯⋯ 圃 -u ⋯i 图2模糊控制系统结构图 模糊控制系统具有与数字控制系统的一般结构形式，如图 2所示。图2图中，模糊控制器是系统核心，实际上它是一台微 计算机，完成输入量的模糊化、模糊关系运算、模糊决策以及决 策结构非模糊化等重要过程。模糊控制器的智能程度，在很大 程度上，决定一个模糊控制系统的性能指标的优劣。 模糊控制器是模糊控制系统的核心，它通过在微计算机上 用软件编程实现。模糊控制器完成的任务有 ：首先，微计算机采 @国自控嗣邮局订阅号：82躺360~／ -185— 维普资讯 http://www.cqvip.com 机器人技术 中文核心期刊 《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第9-2期 集被控对象输出信号的精确值；然后，将该信号与给定值相比 较得到误差信号E，并将误差信号 E的精确值变成模糊量，得 到误差 E的模糊语言集合的一个子集 e，至此 ，。已是一模糊向 量；最后 ，用 e和模糊控制 R根据推理的合成规则进行模 糊决策，得到模糊向量 u为 ：u=e·R。 为对被控对象实现精确控制，必须进行反模糊化，把模糊 量转换成精确量，去控制控制执行结构运行相应的动作。该过 程如图3所示。 系 统输入 广 — — J L — — ] l 模糊化 l I。。。。。。。。。。。。。’ ’。。‘’ 。。’。。。。。。。。。。 模糊控制规则 厂_——L] ⋯ ⋯ ⋯ ～ 一 ⋯ ⋯ ．1 模糊推理l 模糊输出 l 反模糊化I 系统输出 图 3模糊控制系统处理流程图 4旋盖电机模糊控制器设计 4．1旋盖电机控制变量及其关系 旋盖电机是驱动机械手旋盖的动力装置，为提高开罐机效 率，旋盖电机必须在尽可能短的时间内完成旋盖动作。 旋盖电机控制系统如图 4所示。电机采用 PWM驱动电路； 电流检测采用电流传感器；速度检测采用光电编码器。得到的 电机速度和电流与旋盖电机力矩给定值一起作为旋盖电机模 糊控制器的输入变量，控制器输出是驱动电机的 PWM波形。 图 4旋盖电机控制系统 控制对象是旋盖力矩和旋盖速度 ，根据旋盖动作的要求 ， 旋盖电机开始运行时力矩小 ，电机以较高的速度旋盖，随着旋 盖动作的进行，电机力矩加大，电机速度逐渐减小 ，当电机力矩 达到旋盖电机力矩给定值时，电机速度为零。 4．2检测值的初步处理 旋盖电机力矩给定值为 T，最大转速给定值为 V，力矩 T是 实际旋盖所需力矩，v是实际的旋盖试验测得的转速最大值。 首先根据式 )将电机力矩给定值转换成对应的电流大小，设 力矩给定值为 T对应的电流给定值为 I。假设系统中电机最大 转距为 I，最大转距为 2v，检测得到的力矩或转速超过假设 的 最大值时，做假设的最大值处理。即对电机力矩检测值和转速 检测之作如下处理：fj 当i协议

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