VoL25 No.1 魏媛媛等：模糊控制在机器人柔顺装配中的应用 ·75· 插入.为了形成正确的插入动作，应该根据孔与 初始化（步长调整表， 棒的相对位姿来调整棒的插人角度.而两者的相 前次调整方向) 对位姿是可以根据传感器的力和力矩的信息来 确定的.显而易见，接触力与棒的位置关系是非 与机器人控制器连接，将机器 线性的、多值的.这就需要先判断出当前棒处在 人未端置于初始位置，位姿 哪一种接触方式，再根据力传感器信息判断棒的 偏移角度和方向. 力传感器清零 力传感器安装在机械手的最后一个关节和 夹持器之间，如图2，装配过程的受力分析如 传感器测力 图3.当插棒以某一倾斜角度插入孔中，则必然 会受到孔壁阻力的作用.根据其受力方向，判断 XY,Z方向上 否 插棒的倾斜方向后，即做相应的调整.如图3，插 是否都不受力？ 棒受到Z和Y方向的阻力，说明插棒还没有处于 是 与孔内壁相平行的位姿，需要调整，方向是绕着 下移一定距离 Y的负方向旋转某一角度. 根据插棒在X,Y方向的受力情况判断出插 XY方向不受力， 棒目前的状态，调整其位姿，继续下移插棒，当再 只有Z方向受力2 次受到插孔的阻力时，就再次根据受力情况进行 否 调整，反复调整、下移，使之最终与插孔的内壁相 根据力信息，前次调整方向，由 完成 平行，并能使插棒插入孔底.只有当X,Y方向上 模糊规则表判断，得到调整步长 都不受力，Z方向受到一定大小的力作用时，表 控制机器人调整 示插棒已完成装配任务.以上仅讨论了一点受力 图4算法流程图 (图1(b)的情况.运用这种控制方法时，两点受力 Fig.4 Algorithmic flow graph 的情况不会发生.这样，就简化了调整判断种类， 提高了调整效率，保证了实时性.算法实现流程 2 模糊控制器的设计 如图4所示 模糊控制就是利用人类专家的经验和知识， 1一机械手末端 2一力传感器 对一些非线性的、非定常的、时变系统进行有效 3一插棒 的实时控制.因此，如果对该系统的状态、动态特 4一插孔 征及行为有较充分的认识，将有助于分析任务的 执行，并建立正确的控制算法，从而得到较好的 控制效果间 图2带有力传感器的机械手 通过以上对装配过程中插棒的受力分析和 Fig.2 Manipulator with a force sensor 人类手工装配中的经验，可以形成适用于插孔装 配的模糊控制方法，设计相应的模糊控制器.通 合 过以上分析可知在X,Y两个方向上分别设计模 糊控制器，每个模糊控制器有2个输入变量，】个 输出变量.现以Y方向上的模糊控制器为例加以 说明.两个输人变量之一是当前Y方向上的受力 大小F,另一个是前一次在Y方向上的调整角度 0.该模糊控制器的输出变量是0m,它是机器人 末端在当前需要调整的角度.可以离线计算出模 图3插棒的受力分析 糊控制表.下面就是离线计算过程 Fig.3 Force analysis of the peg (1)选择描述输人输出语言变量的取值集.通V b l . 2 5 N o . l 魏 媛媛 等 : 模糊 控 制在机 器 人柔 顺装 配 中 的应 用 插入 . 为 了形 成 正确 的插 人动 作 , 应该根 据 孔 与 棒 的相对位 姿来 调整 棒 的插入角 度 . 而 两者 的相 对位 姿是 可 以 根 据传感 器 的力 和 力 矩 的 信息来 确定 的 . 显而 易 见 , 接 触力 与棒的位 置 关系 是非 线性 的 、 多值 的 . 这就 需要 先 判断 出 当前 棒 处在 哪一 种接 触方 式 , 再根据 力传感器信息判 断 棒 的 偏移 角度 和 方 向 . 力 传 感 器 安 装 在 机械 手 的 最 后 一 个 关节 和 夹持 器 之 间 , 如 图 2 , 装 配 过 程 的 受 力 分析 如 图 3 . 当插 棒 以 某一 倾斜角度 插 人孔 中 , 则必 然 会受 到孔 壁 阻力 的作用 . 根 据其受 力 方 向 , 判 断 插 棒 的倾斜 方向后 , 即做相 应 的调 整 . 如 图 3 , 插 棒 受 到 Z 和 Y 方 向 的阻 力 , 说明插 棒还 没有 处 于 与 孔 内壁 相 平行的位 姿 , 需要 调 整 , 方 向是绕着 Y 的负 方 向旋 转某 一角 度 . 根 据 插 棒 在 戈 Y 方 向 的 受力 情 况 判 断 出插 棒 目前的状 态 , 调整 其位姿 , 继续 下 移插棒 , 当再 次受 到插 孔 的 阻力时 , 就 再次根 据受力 情况 进行 调整 , 反 复调 整 、 下 移 , 使之 最终与插 孔 的 内壁相 平行 , 并 能使插棒 插 入 孔底 . 只 有 当 戈 Y 方 向上 都不 受 力 , Z 方 向受 到 一定 大 小 的力 作用 时 , 表 示插 棒 已 完成 装 配任 务 . 以 上 仅讨论了一 点 受力 ( 图 1(b) ) 的情 况 . 运用 这 种控制方 法 时 , 两 点受 力 的情况 不会发 生 . 这样 , 就简化 了调整 判断种类 , 提 高 了调 整 效率 , 保证了实 时性 . 算法 实现 流 程 如 图 4 所示 . 初 始化 (步长 调整 表 , 前 次调 整 方 向) 与机 器 人控 制器 连 接 , 将 机 人末 端置 于 初始 位置 ,位 姿 模糊 规则 表判断 , 得 到调 整步 长 } 控 制机器人调整 卜 一 图 4 算法流 程 图 F i g . 4 A l g o r i t h m ic fl o w g r a Ph 1一机械手末端 2一力传感器 3一插棒 4一插孔 图 2 带有 力传感 器 的机 械手 F ig . 2 M a n i P u l a t o r w it h a fo cr e s e n s o r 井 长二7 图 3 插 棒的 受力 分析 F ig . 3 F o r e e a n a ly s is o f t h e Pe g 2 模糊 控制 器 的设 计 模糊 控制 就 是利 用 人类专家 的经 验和 知识 , 对一 些非 线 性 的 、 非 定 常 的 、 时变 系 统进行有效 的实 时控制 . 因此 , 如果 对该系 统 的状态 、 动态 特 征及 行 为有较充分 的认识 , 将有助 于分析任务的 执 行 , 并 建 立 正确 的控制算法 , 从而得 到较好的 控制效果 ` .el 通 过 以上 对 装 配 过 程 中插棒的 受力 分析 和 人类 手工 装 配 中 的经验 , 可 以 形 成适 用 于插孔 装 配 的模糊控 制 方 法 , 设计相 应 的模糊 控 制器 . 通 过 以 上分 析 可 知 在 戈 Y 两 个方 向上 分别设计模 糊 控 制器 , 每个模糊控制 器有 2 个输 人 变量 , 1 个 输 出变量 . 现 以 Y 方 向上 的模糊 控制器 为例 加 以 说明 . 两 个输人 变 量 之一 是 当前 y 方 向上 的受力 大 小凡 , 另 一个是前一 次在 了方 . 向上 的调 整 角度 0 、 . 该模糊 控 制器 的输 出变量 是 氏 , 它 是机 器人 末端 在 当前需要 调 整 的角 度 . 可 以 离线计算出模 糊控 制 表 . 下 面就 是 离线 计算过程 . ( l) 选 择 描述输人输 出语言 变量 的 取值集 . 通