基于模糊PD控制的微操作机械手真空微夹研究

　　基于模糊PD控制的微操作机械手真空微夹研究陈国良黄心汉王敏（华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉430074）较为理想的策略。设计了一种用于微粒（直径100~300m）装配的真空微夹工具。设计了微夹的一种以A-Duc812为底层控制器和以PC机为顶层控制器的两级控制结构。对微粒的粘附力影响和受力情况进行了分析，推导了微夹不同作业阶段的工作压力条件。考虑空气的可压缩性、气动元件的非线性和微夹的压力损失，为提高微夹的拾取和释放微粒的能力，设计了基于模糊PD的压力控制器。Matlab仿真试验结果表明该控制器的有效性。微夹具有性能稳定可靠、结构紧凑的优点，能较好地适用于面向亚毫米级微粒的装配作业。

　　1真空微夹设计可以忽略不计了。由于小球重力不能克服表现为对于微小物体来说，随着体积和质量的变小，外力才能实现，采用何种方式施加外力以及如何确定和控制外力的大小成为了关键问题。

　　1基金项目：国家高科技术研宄发计划资助项目（200包攻84110）01国家然科学基资助项目研究了粘附力对释放操作的各种影响，并提出了一些解决办法。

　　通过分析设计的真空微夹，本文认为该微夹不能完成释放小球任务的主要原因是：该微夹对工作压力的调节采用开环方式。而气动系统阻尼小、可压缩性强、管路摩檫等因素使得真空微夹仅仅采用开环比例控制难以获得满意的压力调节效果。本文在该微夹的基础上，重新设计了真空微夹及其压力控制器。真空夹由真空单元和控制单元组成。

　　1.1真空单元真空单元由气源、比例压力阀、真空发生器、电磁开关阀、速度阀、真空过滤器、压力表以及压力传感器等构成（见）。真空发生器是真空单元的核心器件，选用SMC公司的ZH07BS-06-06型真空发生器，高真空度为88kPa工作压力范围为0.25~0.6MPa；选用电气比例压力阀作为气动控制系统核心元件，型号为23BPD1，该比例阀压力控制范围为0.05~0.9MPa.真空微夹的基本工作流程是：拾取小球时，电磁阀1上电，根据文丘里原理，压缩空气通过电磁阀1和真空发生器喷射，使真空吸附口产生负压力吸附小球；当释放小球时，电磁阀1断电，真空发生器停止工作，真空吸附力快速消失，电磁阀2上电，接通正压释放气路，微夹产生正压差将小球释放。

　　1.2控制单元真空微夹控制单元采用两级控制结构，其上层控制采用PC机，与机械手的其他控制单元融合成为整体；底层控制由AD公司的ADMC812单片机实现。ADMC812与PC机通过串口进行现场数据与控制命令的通信。为控制单元的体系结构简图。

　　PC机在控制单元中处于核心地位。上层PC机控制单元的主要功能是：触发和监控底层MCU单元的工作进程，工作压力标定，控制决策等。基于WINDOWS98操作系统的PC机控制程序采用4YCf意义上的可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。底层控制单元实现的主要功能是：电磁阀1和2的通断控制，压力信号采集、AD、DA转化、比例压力阀控制以及LED显示等。底层单元控制程序采用FranklinC51编写，采用模块化设计，根据实现的功能可以分为：主程序模块、通信模块、数据采集模块、LED显示模块、控制模块等。

　　2力学分析采用碳酸钠或碳酸硼玻璃材料制成的吸管作为吸附元件。对于亚毫米以下的微小物体而言，粘附力超过重力起着主要作用。粘附力主要由静电吸附力、范德华力以及表面张力三种主要力组成（di+d2）为简化直径，di和d2分别为两作用物体的直径。通过电离周围环境或传导表面静电的方法可以减少静电吸附力作用。

　　范德华力为运动电子之间的相互作用力，可）计算，：H为Hamakter系数；0为小球直径；为小球与接触面之间的有效距离。粗糙表面可以增加有效距离z，从而减少范德华力。

　　表面张力是重要的表面力分量，它是由物体接触面之间的液体薄膜现象而产生的作用力，其大小可以由F（：ap=TtDY近似得到，：D为液体薄膜直径；Y为亲水系数。显然疏水性表面的物体和提高空气的干燥度可以减少表面张力。

　　小球受力如所示。图中：FW为微夹作用力，fz为小球重力，ft为小球与工作面切向粘着力，fn为小球与工作面法向粘着力，Fn为小球与吸管法向粘着力。

　　控制单元体系原理图真空微夹是依靠自身系统与大气之间的压差Ap来拾取和释放小球的。因此在对小球进行拾取和释放操作之前，要确定压差的大小。真空微夹力学分析图施加的气动力Fw=AApA为吸管面积。

　　拾取小球的条件为释放小球的条件为通过式（1）和式（2），可以分别确定拾取和释放小球所需的压差的大小。

　　实验表明，吸管的尖端长度取3 ~5mm，吸管内径取1mm，吸管与工作平台之间倾斜角取45*可以获得较高的吸取、放置成功率121. 3模糊控制器小球释放过程中，真空微夹施加的作用力的基本控制策略是：逐渐增大真空微夹的工作压力，并使压力值地稳定在系统标定的压力值，无超调或仅允许微量超调以避免“吹跑”小球。

　　对于具有高线性度的电气比例压力阀，认为其输出压力Pp与输入电流i成比例关系，即Pp =ki，ki为比例常数。由此，通过改变比例阀输入电流i的大小调节真空微夹的工作压力。

　　中，Pu为压力损失。忽略管路弯曲等因素引起的微夹压力损失，微夹压力损失可近似等于Ploss =Pv2W（2Di），：P为空气密度；为管内空气流速；为沿程阻力损失系数；为管路长度，为管路直径。

　　影响沿程阻力损失系数X的因素很多，难以确定；同时由于气动系统强的非线性以及气体可压缩性等因素，传统的基于数学模型的控制器很难用于真空微夹压力的控制和调节。本文采用模糊逻辑控制器来控制压力。是基于模糊逻辑控制的真空微夹压力控制系统框图。

　　控制器的两个输入分别是压力偏差e（）和和微分增益，e（（）=p，ui（t）*p.i，p.i是PC机根据小球大小以及机械手的作业环境计算出的标准工作压力。电气比例压力阀的输入u（t）=x（（），ux（（）为模糊控制器解模糊后的输出，ku为输出增益。以下对控制器进行具体设计。

　　3.1模糊化（）的语言变量。EEC和U的语言值均取为NB，NS，Z，PS，PB.NB，NS，Z，PS和PB的含义分别是：负大、负小、零、正小和正大。

　　选用三角形函数作为语言值的隶属度函数，该三角形函数形式如下：3.2模糊逻辑规则库模糊控制规则的设计思路是：当偏差较大时，控制量的变化应尽力使偏差迅速减小；当偏差较小时，在系统稳定的前提下，消除偏差。避免和抑制超调是设计中必须强调的原则。定义模糊逻辑规则形式如下：：EisAandECisBthenUisC.句中EEC和U含义分别如上面所述，A，B和C是语言变量的语言值。根据各语言变量的语言值可知，控制器规则库共25条规则。具体规则见表1.表1模糊逻辑规则库表中列为E的语言变量值，行为EC的语言变量值，其余为U的语言变量值。

　　3.3模糊判决解摸糊常用的方法有：重心法、大隶属度法、中位数判决法等。选用有名的Mamdani推理法MIN-MAX-重心法。有关该方法的具体内容在偏差变化率！中和A别为入到秘服进行了h实验xnki.net验证模糊控制器的调节效果，利用MATLAB的FuzzyLogic工具箱设计了模糊系统，并将该模仿真的步，首先确定各语言变量的范围。

　　设定Ku=KP=Kd=l，比例阀出口压力变化范围为0.05~ 0.9MPa确定压力偏差e（）的变化范围为一0.9MPa~0.9MPa；限制偏差变化率的范围为一l~1；模糊控制器输出的变化范围一l~ 1.仿真结果表明，采用模糊逻辑的控制器具有很好的控制效果。

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