陳立辛, 喬印虎*, 張春燕, 王 磊, 柏云磊, 李 博

(1.安徽科技學院 機械工程學院,安徽 鳳陽 233100；2.安徽科技學院 電氣與電子工程學院,安徽 鳳陽 233100)

力控反饋技術(shù)是當前主流的機器人結(jié)合人工智能控制的應用技術(shù)，多用于柔性自動化智能控制、柔性加工生產(chǎn)線及人機協(xié)作智能抓取等；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中單獨的力控反饋技術(shù)現(xiàn)階段的研究甚少。目前主要的應用是機器視覺引導與力控反饋技術(shù)結(jié)合，如視覺引導的農(nóng)業(yè)采摘機器人、農(nóng)田里的智能除草機器人及蔬菜大棚里的有機蔬菜穴苗移栽機器人等。隨著科技水平的提高，不管是農(nóng)業(yè)還是養(yǎng)殖業(yè)都開始運用了人工智能結(jié)合的力反饋技術(shù)生產(chǎn)作業(yè)，相對于人工生產(chǎn)這種智能化、自動化的生產(chǎn)，解放了工人雙手同時也提高了工作效率。在國內(nèi)，面向于自動化擠奶的系統(tǒng)設備仍然處于低層次使用階段；自動化擠奶機器人應用至今還在歐洲等發(fā)達國家，牧場自動化擠牛奶作業(yè)生產(chǎn)，把視覺技術(shù)結(jié)合工業(yè)機器人領域進一步擴展人機協(xié)作的應用范圍。

現(xiàn)階段隨著牧場數(shù)量的快速增長，對高效牧場管理方式以及性能可靠的擠奶設備有著極大的社會需求。牧業(yè)自動化生產(chǎn)改革已迫在眉睫，歐洲一些國家在自動化擠奶中設備研發(fā)一直處于全球領先地位，平均每個牧場安裝了多套自動擠奶設備系統(tǒng)，每個奶站負責50～100頭奶牛。此類設備都是依靠視覺引導直角坐標式機器人或者普通工業(yè)機器人進行擠奶作業(yè)生產(chǎn)，這樣容易降低奶牛的乳頭敏感度，導致奶牛的產(chǎn)量下降。

本研究基于協(xié)作機器人各軸自帶力傳感器的力反饋模塊搭載配套外接六維力傳感器作為控制方式，提出基于“PC機+上位機軟件”力反饋的引導方法，使協(xié)作機器人根據(jù)反饋力自動規(guī)劃調(diào)整末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，由協(xié)作機器人搭載力矩傳感器完成奶牛的套杯的實際應用。協(xié)作機器人在力控反饋碰撞檢測上有獨特的優(yōu)勢，而力反饋信息在機器人運動控制中主要表現(xiàn)為機器末端根據(jù)外界環(huán)境的作用力來調(diào)整機器人系統(tǒng)中的參數(shù)值來改善系統(tǒng)性能。力反饋技術(shù)可使機器人通過反饋力傳遞末端受力特征曲線，實時控制機器人與被檢測物體進行在線式跟蹤實時交互。本研究中，主要基于力控反饋技術(shù)引導的協(xié)作機器人的相關(guān)基礎理論，采用最優(yōu)即插即拔的嵌入式力矩反饋控制系統(tǒng)通訊技術(shù)，整機無傳動干擾，控制周期可縮短控制至1.25 ms/次，通過試驗樣機與末端位姿角度數(shù)據(jù)分析，驗證了其主動柔順控制精度、安全跟蹤性，為力反饋引導機器人高效精準的自動套奶杯的生產(chǎn)目標任務做了強大得理論支持。

1 擠奶套杯組件的結(jié)構(gòu)設計

牧場擠牛奶的作業(yè)過程一般分為：人工噴灑藥滴、擦拭、擠出頭三把奶及人工套杯等，根據(jù)套杯環(huán)節(jié)設計一款適應于協(xié)作機器人的夾持，其動力源方式采用負壓氣動式脫杯，脫杯裝置與其他配套的工作部件是獨立分開控制的，如圖1所示。

圖1 分離式負壓氣動套杯裝置結(jié)構(gòu)簡圖

分離式負壓氣動套杯裝置由伸縮氣缸、電磁閥滑軌組件及繩索組件等組成。首先做好擠奶準備工作，系統(tǒng)在發(fā)出套杯指令后，由機器人夾持獨立的套杯，經(jīng)視覺獲取后的位置信息將其按照每個識別的動態(tài)，系統(tǒng)啟動開關(guān)按鈕，協(xié)作機器人執(zhí)行拉出繩索動作，轉(zhuǎn)換末端姿態(tài)分別進行安套杯作業(yè)。

2 協(xié)作機器人力反饋系統(tǒng)

2.1 六維力傳感器的選型

采用協(xié)作機器人配套的六維力傳感器一體化數(shù)字式設計(圖1),安裝于機器人的與末端執(zhí)行器的連接處；內(nèi)部集成信號采集處理模塊,可直接輸出力矩值；具有超大扭矩測量范圍；搭配每個關(guān)節(jié)的內(nèi)置力傳感器數(shù)顯讀數(shù)，作用力分辨率為0.08 N，相對作用力精度為0.95 N，作用力重復精度為0.14 N。結(jié)構(gòu)解耦設計,維間耦合小；可同時檢檢測3個方向的力度(Fx,Fy,Fz)和3個方向的瞬間(Mx，My，Mz)，支持485/CAN/USB/Ethercat通訊，方便集成使用；參數(shù)如表1所示：

表1 六維傳感器的參數(shù)一覽表

圖2 六維力傳感器的原理圖

2.2 協(xié)作機器人的選型

本研究考慮到在協(xié)作機器人套奶杯的過程中采用保持機器人位形不變，只改變其末端位姿變得特殊坐標系空間，結(jié)合位姿/位形雙模逆解算法基礎。位姿/位形雙模逆解算法可以同時滿足位姿和位形的混合要求，通過搭建嵌入式的運動控制框架可以完全效仿人工套奶杯的動作，并且相比人手臂可以實現(xiàn)更準確、更平穩(wěn)、更高效的運動軌跡。本研究采用是配套選用的品牌為優(yōu)傲機器人UR5，負載為5 kg，臂展850 mm，參數(shù)如表2所示。此款機器人具有不限環(huán)境下，亦可保證生產(chǎn)流程的精確、可靠和快速執(zhí)行，對于插入和螺旋驅(qū)動等任務可提供作用力/力矩反饋，同時支持位置、速度和力控制。

表2 協(xié)作機器人本體參數(shù)

2.3 力反饋結(jié)合協(xié)作機器人的控制設計

智能機器人的力控制是一般是通過位置控制實現(xiàn)的。本研究采用的力反饋引導協(xié)作機器人實現(xiàn)套奶杯的控制方法是將由力傳感器測得的力信息轉(zhuǎn)換為機器人末端位姿，該末端位姿可以作為軌跡規(guī)劃末端點，軌跡規(guī)劃所需初始點通過讀取各關(guān)節(jié)軸輸入的運動控件得到，調(diào)用機器人運動學規(guī)劃子程序得到的各插補點各軸的坐標值，將該坐標值的數(shù)值輸出反饋人機顯示界面，協(xié)作機器人末端隨受外力切線方向運動；進而將六維力矩傳感器測得的力信息轉(zhuǎn)換為機器人末端位姿，精準獲取對奶牛乳頭套杯之前有好的主動柔順控制力。協(xié)作機器人力反饋的嵌入式系統(tǒng)框架圖如圖3所示，由各軸輸入控件可以讀出當前機器人位姿，得到當前機器人末端坐標系相對于基座標系下的位置向量。

圖3 機器人力反饋的嵌入式系統(tǒng)邏輯框架圖

2.3.1 協(xié)作機器人系統(tǒng)通訊設計 采用“上位機軟件+PC機”式機器人控制系統(tǒng)，信號通訊框架如圖4所示，首先通過正弦結(jié)構(gòu)光感應器確定奶牛身份及奶頭區(qū)域，然后找出奶牛各個奶頭的位置與姿態(tài)，并將各個奶頭的信息，實時傳輸給上位機控制系統(tǒng)，然后反饋至協(xié)作機器人控制器，協(xié)作機器人根據(jù)上位機控制系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)給出的位置姿態(tài)，對奶頭位置進行精確識別；包含奶頭位置路徑與角度值；識別的奶頭進行清潔消毒后，由末端裝有六維力傳感器的協(xié)作機器人進行有序自動的套杯動作執(zhí)行。

圖4 機器人力反饋的通訊框架圖

2.3.2 力矩信號反饋的正弦曲線圖 從圖5的力矩信號反饋正弦曲線可以看出，該控制方案采用的嵌入式開發(fā)的微段自適應力與速度控制技術(shù)，控制系統(tǒng)響應快捷，可及時的跟蹤給定的力反饋比較平順的運動軌跡，有效解決了在套杯控制中力與位置控制之間的混合控制阻抗問題。

圖5 機器人力矩信號反饋正弦曲線圖

2.3.3 機器人套杯進給速率控制分析 機器人在執(zhí)行套杯動作時，從套杯組件取杯到奶牛身體上套杯兩個過程，對于套杯進給動作執(zhí)行時，控制好進給速度是關(guān)鍵，在進行基于力控套杯進給控制在8 s內(nèi)，保證機器人末端執(zhí)行器盡量平穩(wěn)，不發(fā)生抖動，因此需對加減速進行實際測試與理論分析。

協(xié)作機器人執(zhí)行自動套杯作業(yè)過程中，此時機器人正處于減速動作階段，對加速度、速度進行優(yōu)化，得到穩(wěn)定的合成速度波形如圖6所示，由波形可知，協(xié)作機器人在自動套杯任務時速度變化平滑且穩(wěn)定高速。

圖6 機器人套杯進給優(yōu)化后的合成速度反饋波形

3 樣機搭建與試驗分析

結(jié)合以上的參數(shù)選型設計，根據(jù)理論分析完成了樣機的搭建，包括機器人末端執(zhí)行器和嵌入式控制系統(tǒng)。根據(jù)圖7所示，通過樣機運動試驗驗證了保持位形不變，位姿變化的末端關(guān)節(jié)角度變化值是保證力矩反饋技術(shù)的穩(wěn)定套杯的關(guān)鍵，由表3～4可知，在協(xié)作機器人位形不變的情況，調(diào)節(jié)位姿變化時，其第6關(guān)節(jié)末端軸的角度變化趨于穩(wěn)定變化值，實驗測得在測試實驗速度為100 m/s，J5、J6軸空間關(guān)節(jié)角度為(-118.22°，-28.73°)、(-118.19°，-28.74°)、(-118.45°，-27.97°)與理論分析結(jié)果相同。

表3 機器人位形與位姿關(guān)節(jié)聯(lián)動的末端角度變化值

圖7 機器人在位形與位姿的不同角度位置

3.1 力反饋的引導的機器人末端位姿/位形數(shù)據(jù)分析

表4 機器人保持位形不變，位姿變化的末端關(guān)節(jié)角度變化值

4 結(jié)論

對協(xié)作機器人擠奶的自動化套杯結(jié)構(gòu)進行了詳細的設計，實現(xiàn)了自動套杯無抖動作業(yè)；完成力矩反饋主動與被動的有機結(jié)合，實現(xiàn)了基于力控反饋技術(shù)用于自動套杯的應用研究；驗證了協(xié)作機器人位形不變，位姿變化時，其末端角度變化趨于平穩(wěn)的運動軌跡；在滿足自動化、智能化、柔性擠奶套杯作業(yè)需求情況下，規(guī)劃了一條平穩(wěn)無抖動、且速度和加減速度連續(xù)柔順的波形圖軌跡，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得出在位姿變化作用下的協(xié)作機器人通過力矩的反饋引導輸出角度變化情況。