模块化移动机械臂控制体系结构分析

　　摘 要： 首先对模块化移动机械臂机构特点做简单的分析，在此基础上对目前只要的比较成熟的控制体系的结构做简单阐述。通过对分层递阶分布式控制体系结构的分析，比较鲜明的介绍模块化移动机械臂控制体系结构。文章最后提出对模块化移动机械臂控制体系结构的研究方向。 　　关键词： 移动机械臂；模块化；结构分析 　　1 背景介绍 　　随着科学技术的发展，众多机器人相继问世，他们一般具有移动和操作两大功能，我们更具这两个能力对机器人分类为下面的三大类： 　　1）只用移动功能的的移动机器人，比如EndotieS医疗机器人。 　　2）只有操作能力的机械臂。比如nextre、PUMA56o、Powereube机械臂等。 　　3）具有移动和操作能力的移动机械臂系统。如勇气号火星车等。 　　像EndotieS医疗机器人，模块化移动机械手臂现在已经逐渐被应用的医疗行业，但是由于功能相对单一，在医疗行业应用不是很广泛，不过随着模块化移动机械臂的更加智能化的发展，它在医疗行业的应用将会迅速得到普及。 　　2 模块化移动机械臂结构介绍 　　模块化移动机械臂结构，在目前研究最成熟也是研究最多的是两连杆式移动机械臂。它结构简单，由平面内的两个连杆机械臂和一个轮式的移动平台组成，该系统结构示意图如下图所示。 　　两连杆平面移动机械臂，空间几何结构相对简单，其运动过程模拟及其分析在一般的几何关系里面就可以得到解决，针对某一具体任务的运动也较为容易实现。但是为了能够满足复杂的医疗手术或者是相对复杂的医疗动作的完成，两连杆平面移动机械臂显然已经无法满足要求。在此基础上模块化移动机械臂就得到了广泛的关注，模块化移动机械臂相比平面连杆移动机械臂，灵活性是它最显著的优点。各模块结构的分布可置换性，使得模块化移动机械臂具有广阔的动作空间动作多样性。模块化移动机械臂与平面两连杆移动机械臂相比有以下几点不同： 　　1）模块化机械臂是一般是一种三维机械臂，实现三维立体空间运动，大大延伸了机械臂的动作范围和动作难度，但是也使得较难通过简单的几何关系来表征末端执行器位姿与各关节角位移之间的关系。 　　2）模块化机械臂的可重构可置换特性，这一特性，使得模块化机械臂有了更好的灵活性。不过对于构型变化后的模块化机械臂运动学计算难度增加，不利于运动规划控制器的设计及实施。 　　3）模块化机械臂和移动平台的结合，结构变得更加复杂，整个系统的运动冗余性增加明显，冗余度的求解是运动规划和协调控制中必须要解决的基本问题，这使得模块化移动机械臂的协调规划难度加大。 　　我们可以看到，模块化移动机械臂随着动作的复杂化，操作的只能化，对与几何关系的表征和运动状态的分析也提出了更高的要求。但是随着机械臂的智能化和复杂动作完成能力的提高，将会非常有助于模块化移动机械臂在医疗行业的推广和发展。 　　3 模块化移动机械臂控制体系结构分析 　　模块化控制体系机构有很多种分类方式，我们在这里一控制器的分布结构来划分，分为集中控制式和分布式控制式。 　　集中控制式在系统中拥有一个控制单元，由控制单元对系统的观测信息进行管理，在此基础上设计控制律，然后通过控制指令完成控制。这种控制方法的控制方式比较简单，对整个系统的整体之间协调比较有利。但是它应用范围局限性比较大，只能对控制对象结构简单，而且控制器能够准确获得工作状态信息，并且获取信息时要求保持较高的效率和可靠性时，才能够有效的完成。一旦有一个环节出现问题，就会导致整个系统的工作状态。而分布式控制 　　是由多个子控制器“一对一”式的控制各个子系统或者是子系统内的子系统。但是各个子系统不是没有关系，它们通过高速通信线路实现整体的协调。同时各个子系统被高一级的系统集中控制，这样像一个“倒树状”的控制系统实现整体控制。这种控制方式的特点可以帮助各个子系统能够灵活的根据实际情况单个控制，实现局部的控制优化。分布式控制结构相对比较复杂，但是具有可靠性，灵活性，适用范围广，维修保养容易实现等特点。 　　下面就以模块化移动机械臂系统的分层递阶分布式体系结构为例来分析模块化移动机械臂控制体系结构。 　　根据对模块化移动机械臂的简单介绍，结合目前应用于机器人上的各种控制策略的特征对比，模块化移动机械臂系统的分层递阶分布式体系结构应用比较广泛。 　　如下图所示，处于某一环境中的移动机械臂系统，特定任务可由机器人的环境感知层、规划控制模块及执行器动作三部分合作完成。三部分功能分别介绍如下： 　　1）环境感知层主要由机器人一般是两种类型的传感器组成，一种是距离传感器，另外一种是视觉传感器。机器人根据传感器获取的信息，来对外界环境获得感知和认识，是信息源。 　　2）规划控制模块，这个模块是机器人的中控层，属于控制系统的核心系统。决策层根据任务需求和动作需求，规划机械臂的运动序列，准确的控制平台的移动和机械臂的各种动作序列。它也是有两个子层构成，一个是决策规划层，一个是控制层。决策规划层关注移动机械臂的运动学，规矩要求规划系统的运动。当系统在规划层规划好应该动作的运动状态后，就会将信息传给控制层，控制层根据环境感知层获得的信息及当前动作姿势，控制设计控制律。规划控制模块最为复杂，是系统的核心部分。我们再来细化分析这个层的结构组成： 　　如下图所示： 　　该体系结构具有以下特点： 　　① 运动学层面：实现的协调规划，这个体系结构可分为运动规划层和动力学控制层，运动规划层根据移动机械臂的运动学，完成运动学规划，使得移动机械臂系统协调运动，从而实现平台智能移动和执行器的相关动作。 　　② 动力学层面控制：这一层是在上一层即动力学控制层的结果，合理的设计规划控制律。在控制律的控制下相应的驱动相应电机促使执行机构完成运动动作。 　　上面两个层不是相互独立，它们通过CAN总线等通信线路进行通信。子系统可以有多个，这样多个之间的藕合视为干扰等不确定性，即子系统之间采用分布式控制。这样模块化机械臂就可以实现置换，扩展等优势，这种控制结构的设计是物理结构模块需要所决定的。模块化机械臂分布式结构如下图所示：