基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 控制技术 收稿日期:;修回日期:.作者简介:周香(),女,陕西西安人,硕士,讲师,主要从事计算机技术方向的研究.引用格式:周香基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计J计算机测量与控制,():,文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计周香(陕西电子信息职业技术学院 信息工程系,西安 )摘要:针对工业遥操作机器人位姿定位过程中难以同步控制位置和姿态角,导致位
2、姿定位准确性较差的问题,设计基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统;通过位姿传感器测量机器人位置与姿态,设计定位控制器和驱动器执行机器人位姿定位控制指令;在系统硬件的支持下,考虑机器人组成结构、运动原理和动力学理论,构建机器人数学模型,在该模型下模拟机器人遥操作过程,确定机器人位姿的定位控制目标;实时采集机器人位姿数据,利用大数据聚类技术计算定位控制量,在控制器的约束下,实现系统的位姿定位控制功能;实验结果表明,综合多种类型的运动情况,在优化设计系统的控制下,机器人的位置误差平均值为 m m,姿态角控制误差为 ;根据实验结果可得优化设计系统能够实现工业遥操作机器人位姿定位的精准控制.
3、关键词:大数据聚类;工业遥操作;机器人位姿;定位控制系统D e s i g no fP o s i t i o na n dO r i e n t a t i o nC o n t r o l S y s t e mf o r I n d u s t r i a lT e l e o p e r a t i o nR o b o tB a s e do nB i gD a t aC l u s t e r i n gZ HOUX i a n g(D e p a r t m e n to f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,S h a a n
4、 x iE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nI n s t i t u t e,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mt h a t i t i s d i f f i c u l t t o c o n t r o l t h ep o s i t i o na n da t t i t u d e a n g l e s y n c h r o n o u s l y i n t h ep o s i t i o na n do r i e n t
5、 a t i o np o s i t i o n i n gp r o c e s so f i n d u s t r i a l t e l e o p e r a t i o nr o b o t,w h i c h l e a d s t o t h ep o o r a c c u r a c yo fp o s i t i o na n do r i e n t a t i o np o s i t i o n i n g,t h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o np o s i t i o n i n gc o n t r o
6、l s y s t e mo f i n d u s t r i a l t e l e o p e r a t i o nr o b o tb a s e do nb i gd a t ac l u s t e r i n gi sd e s i g n e d T h ep o s i t i o na n da t t i t u d eo f t h er o b o t a r em e a s u r e db yt h ep o s i t i o na n da t t i t u d es e n s o r,a n dt h ep o s i t i o n i n gc
7、o n t r o l l e ra n dd r i v e ra r ed e s i g n e dt oe x e c u t e t h er o b o tp o s i t i o na n da t t i t u d ep o s i t i o n i n gc o n t r o l c o mm a n d W i t ht h es u p p o r t o f t h es y s t e mh a r d w a r e,c o n s i d e r i n gt h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo
8、f t h e r o b o t,t h ep r i n c i p l eo fm o t i o na n d t h e t h e o r yo f d y n a m i c s,t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h e r o b o t i sc o n s t r u c t e d U n d e r t h i sm o d e l,t h e t e l e o p e r a t i o np r o c e s so f t h er o b o t i ss i m u l a t e d,a n dt h
9、ep o s i t i o n i n gc o n t r o l t a r g e to f t h er o b o t sp o s t u r e i s d e t e r m i n e d R e a l t i m e c o l l e c t i o no f r o b o t p o s ed a t a,u s eo f b i gd a t a c l u s t e r i n g t e c h n o l o g y t o c a l c u l a t e t h ep o s i t i o n i n gc o n t r o la m o u
10、n t,u n d e r t h e c o n s t r a i n t so f t h e c o n t r o l l e r,r e a l i z e t h ep o s i t i o n i n gc o n t r o l f u n c t i o no f t h e s y s t e m T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a tu n d e r t h ec o n t r o l o f t h eo p t i m a l d e s i g ns y s t e m,t h ea
11、 v e r a g ep o s i t i o ne r r o ro f t h er o b o t i s mma n dt h ea t t i t u d ea n g l ec o n t r o le r r o r i s A c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s,i t c a nb e c o n c l u d e d t h a t t h eo p t i m i z e dd e s i g ns y s t e mc a nr e a l i z e t h ep r e
12、 c i s e c o n t r o l o f t h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o no f t h e i n d u s t r i a l t e l e o p e r a t i o nr o b o t K e y w o r d s:b i gd a t ac l u s t e r i n g;i n d u s t r i a l t e l e o p e r a t i o n;r o b o tp o s t u r e;p o s i t i o n i n gc o n t r o l s y s t e
13、m引言遥操作机器人是工业机器人的一种,遥操作是一项远程作业技术,通过现场感知技术,向操作员远程提供现场机器人及其周围环境的信息,实现了人机之间的优势互补,为当前的非结构环境下的自动控制提供了一种很好的解决方法.工业遥操作机器人具有操作便捷、安全等特点,因此在诸多领域中得到广泛应用.工业遥控机器作为一种多学科交叉应用的工业远程机器人,其在执行任务过程中所遇到的问题较多,其中以位姿问题最为突出.为此,相关领域研究学者纷纷对工业遥操作机器人位姿定位控制系统作出了研究.文献 提出基于P L C和机器视觉的控制系统,利用机器视觉技术,采用图像传感器拍摄目标物体图像,提取出目标图像的坐标和位姿,利用P L
14、 C驱动控制采摘机器人以最优路径和最佳姿态.该方法对机器人位置控制精度较好,但该方法未考虑机器人位姿角度,对机器人姿态角的控制精度较差.文献 提出基于六维鼠标的控制系统以及基于R O S的控制系统,鼠标通过U S B与机器人控制器连接,控制器收到鼠标数据后,对鼠标坐标系下的数据进行坐标系转换,通过轨迹控制器生成机器人移动轨迹,生成的轨迹再经过逆解后作为指令传入各轴伺服实现对机器人的控制.该方法的控制实时性较好,但对机器人的位置控投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期周香:基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计 制精度较差.大数据聚类是一种用于对样本或指
15、数进行分类的静态数据分析技术.通过大数据聚类技术的应用,对工业遥操作机器人位姿定位控制系统进行优化,以期能够提升系统的控制功能,并达到预期效果.系统硬件设计从硬件和软件两个方面优化设计工业遥操作机器人位姿定位控制系统,其中系统硬件的作用是为软件功能的实现提供支持,在此次系统硬件优化设计工作中,由于应用了大数据聚类技术,因此需要加设该技术的运行元件,并在传统系统硬件的基础上,对相关硬件设备进行更新优化,保证硬件设备之间的适配程度.工业遥操作机器人位姿定位控制系统硬件由机器人位姿传感器、定位控制器、驱动器、大数据存储器与聚类处理器组成,通过位姿传感器采集工业遥操作机器人实际位姿数据,通过定位控制器
16、生成的实时控制命令,利用驱动器驱动工业遥控机器人按照控制指令进行定位控制,最后通过大数据存储器与聚类处理器实现工业遥操作机器人位姿数据的处理及存储.机器人位姿传感器为了完成对工业遥操作机器人实时位姿的精准控制,需要确定机器人各个组成构建在任意时刻的实际位姿数据,并获取机器人所处周围环境的具体信息,因此装设位姿传感器设备.优化设计的位姿传感器由位置传感芯片、姿态角传感芯片两部分组成,其中位置传感芯片以红外测距作为传感原理,遵循三角测量原理,根据红外反馈信号的不同,得出当前机器人位置与周围环境之间的关系,从而得出机器人实时位置的传感检测结果.位姿传感器中姿态角传感芯片的内部结构如图所示.图位姿传感
17、器中姿态角传感芯片内部结构图如图所示,姿态角传感芯片由磁力计、加速度计以及陀螺仪个部分组成,拥有S P I、I I C两种最基本的数据通信方式.该传感芯片采用 比特A D C,其器件结构与其匹配的参数范围比较宽.系统利用I I C总线可以对存储器中的数据进行读取.通过传感器的优化能够同时获得机器人姿态角、方位、位置、速度等参数信息,将优化设计的位姿传感器安装到机器人底座、遥操作执行末端等位置上.定位控制器采用P CP MA C架构优化定位控制器,利用结构化的设计理念,通过一个标准的界面连接各个模块,构成一个整体的位置控制器.P MA C是一种能够实现P L C控制的多轴运动控制元件,能够完成数
18、据采集和处理工作.内置D S P芯片具有快速的运行能力,可以实现对数控设备如机器人的实时控制.P MA C运动控制器具有多种扩展接口,可以与传感器、驱动器等元件进行良好的数据交换,最多可达 个移动轴,以满足目前多自由度机器人的控制需求.P MA C运动控制器具有大量的动力学功能,能够在开发过程中直接调用.控制器内装有相应的数字滤波器,由控制器产生的控制命令可以采用标准编码或二进制格式传送.该位置控制器直接与机械手的伺服器相连,以确保由控制器所生成的实时控制命令可以直接应用于工业遥控机器人.驱动器选用电气驱动的方式,设计工业遥操作机器人位姿定位控制系统的驱动器,工业遥操作机器人位姿定位控制.系统
19、中驱动器的作用原理电路如图所示.图驱动器原理电路图图中的驱动器装有一个光电编码器件,它与驱动器的对应接口相连接,系统控制器向驱动器发送一条控制命令,控制器就能获得该驱动器的旋转位置,由此构成一个闭环.系统优化设计的驱动器具有多种控制方式,并可根据实际操作要求设定位置控制方式.通过控制器的控制命令,可以精确地驱动工业遥控机器人,并自动调节增益,使其能最大限度地按照命令执行.在机器人的交流伺服驱动装置中,需要对相关的电气部件应进行合理布局.由于这些电子元件彼此间存在着一定的干扰,所以在装配好了驱动器之后,还要对噪声终端的电压进行检测和调节.大数据存储器与聚类处理器为了给大数据聚类技术提供硬件支持,
20、在传统系统硬件的基础上,加设存储器和处理器.其中大数据存储器选用的是F I F O存储器,该存储器采用双指针的环状F I F O结构,通过两个S R AM实现存储数据的读写操作,二者之间投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 是相互独立的.F I F O存储器在某一特定的时间周期内无法准确地计算出可用的内存.处理器选择TM S V C A作为核心应用芯片,使得处理器可以通过片选信号的方式,选择合适的数据存储空间.除上述硬件元素外,控制系统硬件中还包含显示器、外设接口、通信网络等部分,为节省系统的开发成本,在不影响系统运行性能的前提下,沿用传统系统硬
21、件的部分元件,并将改装元件与传统元件以相同的方式接入到供电系统中,保证处于运行状态的硬件设备不会出现不适配以及互相干扰的情况.系统软件设计利用相关的系统硬件设备,结合工业机器人的遥操作原理,确定遥操作过程中机器人的预期位姿,对机器人的实时位姿进行测量.首先构建工业遥操作机器人数学模型,求解工业遥操作机器人操作规划轨迹与姿态角,实时采集工业遥操作机器人位姿数据,利用大数据聚类技术计算具体的控制量,通过机器人位姿补偿,实现工业遥操作机器人位姿定位控制.构建工业遥操作机器人数学模型综合考虑工业遥操作机器人组成结构、运动原理以及动力特性个方面,构建机器人的数学模型.工业遥操作机器人由底座、躯干以及遥操
22、作元件个部分,通过个组成成分的相互解耦执行遥操作,因此可以采用DH坐标变换法对机器人进行分别建模,以遥操作元件部分为例,该组成部分的建模结果为:Rio p e r a t i o nc o sis i niis i nic o sic o sic o sis i nis i nidis i nis i nic o sis i nic o sic o sidi()式中,变量i和i分别为遥操作的关节角和连杆转角,di为连杆偏距.同理可以得出底座和躯干部分的建模结果,最终通过个部分的整合,得出工业遥操作机器人运动学模型的构建结果为:Rir o b o tRib a s eRit r u n kRio
23、 p e r a t i o n()另外在动力学理论的支持下,得出工业遥操作机器人动力学模型的构建结果为:J(q)d a m p i n g(q)(q)C(q)G(q)B M()式中,q为机器人的运动状态,J表示转动惯量,d a m p i n g和对应的是粘度阻尼系数和转矩常数,C和G分别为机器人离心力和重力势能项,B和M对应的是控制矩阵和输入力矩.将运动学模型和动力学模型融合到工业遥操作机器人的组成结构中,完成机器人数学模型的构建.模拟机器人遥操作过程工业遥操作机器人的操作过程大体可以分为两个步骤,分别为遥操作轨迹规划和操作任务执行 ,具体的操作流程如图所示.按照图所示,首先对机器人的移动
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