基于模糊控制的PLC 在灵巧手控制中的开发

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摘要：针对人手活动细节的研究，结合机器人机械灵巧手的动作需求，运用数据手套为输入端，基于模糊控制的plc将数据手套的位置信息予以采集，加以逻辑运算便可实现对灵巧手的控制。试验结果表明，采用这种控制方案能够满足灵巧手运动轨迹动作的控制要求。

Abstract: For details of hand movements, in combination with robotic machinery needs of dexterous hand movements, it uses the data glove as input, makes logical calculus on data of location about data glove captured by fuzzy control based on PLC control to realize the logical control of dexterous hand. The results show that this control scheme meets the control requirements of dexterous hand motion trajectory.

关键词：灵巧手；PLC控制；自主抓取；模糊控制；数据手套；模糊量；轨迹规划

Key words: dexterous hand；PLC control；independent crawl；fuzzy control；data glove；fuzzy quantity；trajectory planning

中图分类号：TP293文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）22-0166-02

0引言

在机械制造领域内，可以看到机械臂完成了一些生产操作。然而仅凭机械臂专用的一些夹持器很难胜任许多复杂任务，于是像人手一样的机械手成为期待目标，世界上一些大学和科研院所已经开发出多种灵巧手，证实了仿人机械手――灵巧手在各种环境下代替人手执行复杂操作任务。基于对人手活动细节的研究，结合机器人机械灵巧手的动作需求，运用数据手套为输入端，PLC为控制端的灵巧手控制系统，进行实时在线抓持规划运用，对灵巧手发出指示的过程编程，计算机负责整个系统中各模块之间的实时通讯，采用模糊控制不仅对被控制对象参数变化适应性强，而且对于模型结构发生较大改变时，也能获得较好的控制效果。模糊控制的PLC灵巧手控制系统，克服了超调大的问题，保证了控制精度要求。

1PLC灵巧手控制系统

灵巧手的控制方式可以分为两类:自主控制和主从控制。因此，建立的控制系统要适用于主从控制和自主控制。在面对复杂任务的情况下，自主控制对灵巧手的传感和智能要求高，目前的技术还难以实现。主从控制是以人手为主端，灵巧手为从端。采用“经验法“主从操作策略进行实时在线抓持规划。对灵巧手发出指示的过程编程。常用的人机交互装置，数据手套是直接和理想的交互方式。数据手套由安放在手套中传感器构成由人手发出指示，产生模拟信号，然后计算机通过读取数据文件，记录运动数据，获取被控量的精确值，经PLC控制送给执行机构，从而对灵巧手实施精确控制。如图1所示。

系统采用FX3U PLC，配以模拟量输入输出模块FX24AD、FX22DA，利用数据手套作为直接和理想的交互方式，计算机将数据手套的位置信息予以采集，PLC加以逻辑运算控制实现对灵巧手的控制 ， 计算机负责整个系统协调控制，采用智能专用模块模糊控制，实现规定动作。

2模糊控制的实现

2.1 模糊控制原理计算机通过数据手套采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E，把误差信号的精确量模糊化变成模糊量，得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e。再由e模糊控制规则R（模糊关系），根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量为u=eR（式中u为模糊量）。为了对灵巧手被控对象施加精确的控制，还需将模糊量u转化为精确的数字量，经PLC送给执行机构，从而对灵巧手实施精确控制。模糊控制的基本原理如图2所示。

2.2 模糊控制系统结构多关节灵巧手控制系统包含多个具有相同结构的子控制器，每个关节的驱动使用同一系列的电机。每个电机拥有单独的控制器，各个关节可以完成同步或异步的运动。根据这些特点，对灵巧手系统的结构和功能进行模块化分解，并采用CAN总线通讯技术设计了多关节灵巧手控制系统，如图3所示。整体控制系统分为两大部分：主控规划模块和关节运动控制模块。

2.2.1主控规划模块主控规划模块由计算机控制子模块和通讯子模块组成。计算机控制子模块对灵巧手进行轨迹规划、控制、计算运动学正逆解，一级实现人机交互等功能。通讯子模块采用CAN总线通讯技术，CAN（control area net-work）总线是一种支持PLC控制和实时控制的串行通讯网络[11]。通讯子模块负责整个系统中各模块之间的实时通讯。

2.2.2关节涌动控制模块关节运动控制子模块由多个关节运动控制子模块组成。每个子模块负责一个关节的控制，微处理器采用片内集成CAN2.0B的数字型号处理器（DSP），只要外接一片总线收发器SN65HVD230就可实现与CAN总线的通讯。

3实时控制实现

模糊控制可以降低系统主控规划模块本身的要求，而且控制的可靠性、稳定性和效率均好。为了达到灵巧手运动规划、系统资源合理分配、多关节同步控制等要求. 主控规划模式完成灵巧手系统的监控、运动协调、任务分配、调度和通讯。它通过分析系统状态和关节运动控制模块反馈的信息，规划灵巧手的运动轨迹和完成相应运动数据生成及控制，同时定时运行PSO算法寻优PID参数。而且PSO算法编程简单[2]，完全能满足系统的实时控制要求。

关节运动控制模块主要实现各关节的运动行为，包括插补运算和伺服控制等，是整个控制系统的核心。它接受计算控制子模块发送的运动数据并对其自行运算，并依据不完全微分PID算法及其它特定的控制算法进行控制，由PLC完成灵巧手各关节和抓手的运动。

模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出。模糊控制算法的程序流程图如图4所示。

4应用效果

通过计算机把模糊控制中的数据处理问题转换为对PLC程序中的状态处理，这正是PLC程序所擅长的处理方式。由于模糊控制作为智能控制的一种，实质是对人脑的一种模拟，因此，模糊控制器的设计在很大程度上依赖于设计者的实践经验。我们根据现场的实际运行情况和用户的要求，通过不断调整确定的模糊控制规则，以及智能专用模块模糊控制规则去驱动PLC的输出，从而调节灵巧手的动作，以确保灵巧手精确控制在某一给定值上。

5结束语

计算机将模糊控制与PLC控制系统相结合，大大提高了控制系统的智能化程度。由于模糊控制作为智能控制的一种，实质是对人脑的一种模拟，解决了灵巧手的结构与人手有差异的问题，是一种理想的控制方法。

参考文献：

[1]徐国保，尹怡欣，周美娟.智能移动机器人技术现状及展望.机器人技术与应用，2007，(2):29~34.

[2]Pedrycz W.An Identification Slgo rithm in Fuzzy RelationSystem s[J]. Fuzzy Sets and System，1984，（13）:153-167.

[3]Tanaka K，SugenoM.Stability A nalysis and Design of FuzzyContro l System s[J].Fuzzy Sets and Systems，1992，（45）:135-136.

[4]冯冬青，谢宋和.模糊智能控制[M].化学工业出版社，1998.

[5]MCB-Industrial Robot Feature Article The Barrett Hand Grasper-programmably flexible part handing and assembly，Industrial Robot:An International Journal，Vol.27.No3 (2000) pp.181188.

[6]樊绍巍，刘伊威，金明河HIT／DLR Hand II类人形五指灵巧手机构的研究.哈尔滨工程大学学报，2009.2.

[7]Mason M T，Salisbury J K.Robot hand and the mechanics of Manipulation[M].[S.l]:MIT Press，1995.

[8]日本机器人学会编．宗光华，刘海波，程君实，等译机器人技术手册北京：科学出版社，1996．7：778―779.

[9]Thomas H．Speed Control of the Utah／MIT Dextrous Hand．Hardware and Software Hierarchy Journal of Robotic Systems，1 990，Vo 1．7，No．5.

[10]李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制理论．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.

[11]朱麟章．过程控制系统与设计．北京：机械工业出版社，1996.