第2期 杜明芳，等：图书馆机器人机械手参数自整定模糊PD控制器设计 ·165 组合，可得到不同的上升时间及超调量.较理想的上 Vicarm型工业机械手，用小型计算机进行控制.日 升时间结果是：目标角度10°、30°时分别为0.58、 本是工业机械手发展最快、应用最多的国家，自 0.88.2种情况下输出值都几乎等于目标值，实验结 1969年从美国引进2种机械手后大力从事机械手 果表明，小臂能够快速、无误差地跟踪系统给定值。 的研究.我国的工业机器人从20世纪80年代“七 4.3正弦响应实验 五”科技攻关开始起步，和国外比仍有一定距离，总 为测试算法对不同输人信号的效果，再给定正 的特点是：可靠性低、应用领域窄、应用规模小、生产 弦信号，在不同频率下对小臂气缸进行气缸正弦响 线系统技术与国外比有差距.目前，工业机械手大部 应（平均值20°，振幅5）实验， 分还属于第1代，主要依靠工人进行控制.第2代机 当正弦信号频率分别为0.1Hz、0.5Hz时，小臂 械手用微型电子计算机控制，具有视觉、触觉，甚至 气缸正弦响应如图7所示. 听、想的能力.第3代机械手则能独立完成工作过程 60 中的任务，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔 40 性制造单元FMC中的重要一环. 模糊控制从诞生到现在仅经历了二三十年的时 20 间，但已在一些领域取得了很好的研究成果，展示了 2 468101214 其处理无精确数学模型、非线性、时变和时滞系统的 强大功能4！，但模糊控制仍有许多理论和设计问题 (a)频率为0.1Hz 亟待解决.本文所述项目研制的图书馆机器人系统 在设计实践中应用了模糊控制理论，结合实际需求 60 对模糊控制器进行了参数自整定的优化设计，用实 。 40 验结果有力地说明了模糊控制器具有较强的鲁棒性 和稳定性.自适应模糊滑模、自适应神经网络控制等 先进算法及其与RD技术的结合在本系统中的应 681012 14 用是下一步研究的重点，期望通过几种算法的比较 1/s 最终确定出一种最优控制策略810 (b)频率为0.5Hz 本文的研究工作拓展了我国机械手产业的应用 图7小臂气缸正弦响应（振幅5） 领域，在图书馆自动化领域做了开创性的研究工作， Fig.7 Sine response of the cylinder driving forearm 并通过大量仿真实验基本形成了一套可行性较强的 with a 5 amplitude) 从正弦响应效果图可看出，机械手小臂在目标 技术方案.所研制的样机基本上属于第3代智能机 角度分别为30°，频率分别为0.1Hz、0.5Hz时，调整 械手，在无人于预的情况下可取代馆员完成图书管 控制程序中不同的Kp、K、KD参数组合，得到的响 理工作，为无人图书馆的实现莫定了基础， 应曲线有所不同.经反复实验和调整，得到的较理想 参考文献： 的上升时间分别为0.9s(频率为0.1Hz)、0.6s(频 率为0.5Hz).不同频率下输出值都比目标值稍有滞 [1]SUTHAKOM J.A robotic library system for an off-site shelving facility C]//2002 IEEE International Conference 后，但滞后量很小.实验结果表明，小臂能够快速、几 on Robotics Automation.S.1.]Washington.USA,A- 乎无误差地跟踪系统给定值， merica,2002:201-203. 大臂气缸的控制效果验证实验与小臂气缸类 [2]YUAN K H,HONG A C,ANG M,et al.Unmanned librar- 似，不再赘述 y:an intelligent robotic books retrieval retur system uti- lizing RFID tags[C]//2002 IEEE Interational Conference 5结束语 on Systems,Man and Cybemetics.London,UK,2002:50- 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械 55 手，在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械 [3]KUO T C,HONG B W,HUANG Y J,et al.Adaptive fuzzy controller design for robotic manipulators with sliding mode 手.1962年美国机械制造公司也成功研制出一种叫 control[C]//2008 IEEE International Conference on Fuzzy Vewrsatran的机械手.这2种机械手是国外工业机 Systems.Hong Kong,China,2008:581-586. 械手发展的基础.1978年美国Unimate公司和斯坦 [4]刘金琨.机器人控制系统的设计与MATLAB仿真[M]. 福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimate- 北京：清华大学出版社，2008：3040