基于模糊PID的气动伺服手爪控制系统设计

　　0　引言

　　机械手爪是机械手执行机构中的重要部件,其性能的好坏对发挥和提高机械手的作用和效率有很大的影响。一般的机械手爪所抓取的都是外表较坚硬、形状比较固定的物体,机械手抓取时直接根据预先设定的力完成动作。但对易碎、易变形、外面容易划伤的物体,如果机械手爪仍然以固定的力去抓取,物体会很容易损伤甚至破碎。因此,对机械手爪进行研究,分析其抓取易碎物体时的运行机制及控制策略,具有很重要的意义。

　　文中所提到的气爪是日本SMC公司MHZ系列的平行开闭气爪,其结构简图如图1所示,该手爪主要由气缸、杠杆和手爪3个部分组成,手爪的接口管径是M5×0·8mm。其工作原理如下:当以图1(a)中a口为进气孔时,活塞4受气压作用沿着箭头方向运动,活塞杆带动杠杆2转动,使手爪闭合。当要张开手爪时,以图1 (b)中b孔为进气孔,则活塞向上运动,通过杠杆2带动手爪张开。显然,手爪的位置是由活塞4的位移确定的,活塞4向下移动就带动手爪闭合,给被夹物体一个夹紧力。手爪处于不同的位置,其夹紧力也不相同,这就是基于位置的手爪夹紧系统。作者研究的就是通过控制活塞位移来间接控制手爪的夹紧力。

　　1　控制回路构成及原理

　　1·1　控制回路构成

　　气动手爪控制系统图如图2所示,由图可见,这个控制系统包括内环和外环两个环路,内环主要由位移传感器回路构成,实现系统输出(位移)对给定值的动态跟踪;外环由检测单元———滑动传感器构成,通过检测滑动信号的反馈值来判断是否修正输入值及控制参数。

　　首先,要确定系统期望的性能指标,希望手爪能够以合适的力来抓取物体,既不要用力太大(会使易碎物品损坏),也不要太小(这样会夹不住物体或者物体在抓取过程中滑落)。要实现这样的目标,只有从一个较小的力开始,逐渐增大,直到物体与手爪之间没有滑动为止。这时候夹持力应该是最小的握紧力,系统的工作流程如图3所示。

　　控制回路的上位机为一台个人计算机并辅以相应的软件,用于进行系统仿真与实时控制,另外,还有数据输入输出、检测部分以及信号放大器等。计算机将采集到的触觉传感器的实时信号进行分析,区别出滑动信号和手爪压力值,应用适当的控制算法计算滑动信号,然后将得到的控制信号经过输出接口输出控制压力比例阀的电压信号,从而改变气缸两腔的压差,使手爪的夹持力迅速得到改变。

　　1·2　控制策略

　　通过分析,得出该系统是不稳定的,必须进行校正,选择模糊控制和自整定PID控制相结合的控制策略。之所以如此,一方面是因为气动伺服系统存在着一系列非线性因素,难以获得准确的数学模型,单纯采用PID控制很难得到相应的精度,另一方面模糊控制可以改善被控系统信号的动态性能和稳态性能[1],气动伺服机械手预测模糊自整定PID控制器算法结构如图4所示。