基于模糊控制器的按摩机器人的力度控制.pdf

第 2 5卷 2 01 0钜 第 6期 1 2月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J OURN AL OF S HAND ONG J I AN Z HU UNI VE RS I T Y Vo 1 2 5 No 6 De c 2 0l0 文章编号 1 6 7 3 7 6 4 4 2 0 1 0 0 6 0 5 8 6 0 5 基 于模糊控制器 的按摩机器人 的力度控 制 王洪玲 刘存根 山东建筑 大学 山东省智能建筑技术重点实验室 山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘要 将模糊控制策略应用到按摩机器人的力度控制 设 计 了由力度误差 和力度 误差变化 率为输 入 按 摩机器 人 电机输出功率为控制系统输 出的双输入单输 出模糊 逻辑控制 器 而 按摩机器 人 电机输 出功率 由电机输 出 电 压控制 通过仿真对 比不同控 制器所产生 的按摩机器人 的按摩 力度变化 曲线表 明 当按 摩机器 人系统受 到外 界干扰时 模糊逻辑控制器在处理外界干扰的快速性 和灵敏性上 明显优 于 P I D控 制器 和原始 P D 控 制器 采 用模糊控制方法对按 摩机器人 的驱 动电机输 出参数 电压进行控制 实现了预期的工作性 能 关键词 按摩机器人 模糊控制规则 模糊逻辑仿真 模糊推理算法 中图分类号 T P 2 7 3 4 文献标 识码 A Th e dy na mics co n t r o l o f ma s s a g e r o bo t ba s e d o n t he f uz z y co n t r o lle r W ANG Ho n g lin g L I U Cu n g e n S h a n d o n g P r o v i n cia l K e y L a b o r a t o r y o f I n t e l l ig e n t B u il d in g T e ch n o lo g y S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s it y J i n a n 2 5 0 1 0 1 C h i n a Abs t r a ct Th e f u z z y co nt r o l s t r a t e g y i s a pp li e d t o t h e d y n a mics co n t r o l o f t h e ma s s a g e r o b o t a n d t h e d o u b le in p u t a nd s in g le o ut p ut f u z z y lo g ic co n t r o lle r is d e s i g n e d wi t h t h e d y n a mi cs e r r o r a n d t h e e r r o r r a t e o f ch a n g e a s inp u t a n d t h e e le ct r ica l mo t o r o u t p u t p o we r o f ma s s a g e r o bo t a s o u t p u t a n d t h e o u t p u t p o we r o f t he ma s s a g e r o b o t is co n t r o lle d b y t h e o u t p ut v o lt a g e o f t h e e le ct r ica l mo t o r Th r o u g h t h e s i mu la t io n co nt r a s t b e t we e n t h e ma s s a g e r o b o t s d y n a mics v a r ia t io n cu r v e s p r o d u ce d b y d if f e r e n t co n t r o l le r s t h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e f u z z y lo g ic co n t r o lle r is b e t t e r t h a n P I D co n t r o ll e r a n d o r ig i n a l P D co n t r o ll e r in r a p id i t y a n d s e ns i b ilit y in de a li n g wit h o u t s id e i n t e rfe r e n ce Th e a pp li ca t io n o f t h e f u z z y co n t r o l me t h o d t o co n t r o l o u t p u t p a r a me t e r v o lt a g e o f t h e ma s s a g e r o b o t s d r iv e mo t o r h a s a cco mp lis h e d t h e e x p e ct e d p e r f o r ma n ce Ke y wo r d s ma s s a g e r o b o t f u z z y co n t r o l r u le s f u z z y s imu la t i o n f u z z y r e a s o n in g a l g o r it h m 0 引言 人 口老龄化 的趋势使 老人更容 易患上慢性疾 病 其中突出的问题就是 高龄老年人 自我照料能力 减弱 对家庭 小区 政府 的依赖程度加大 为 了 满足对老年人进行护理的要求 近年来 已开发 出多 种面向市场 的智能家用机器人 日本在按摩机器人 的研究 中 进行的比较早 如 K a z u h ik o T e r a s h im a等 基于混合阻抗控制 利用机器人多 自由度手指构建 了一个能产 生象人们 按摩动作 的智能按摩控 制系 统 在国内 中医按摩推拿机器人也引起 了很多人 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 9 基金项目 国家 8 6 3 计划项 目 2 0 0 8 A A 0 4 0 2 0 6 山东省科技攻关项 目 2 0 0 9 G G 1 0 0 0 1 0 I 1 作者简介 王洪玲 1 9 7 2一 女 山东泰安人 在读硕士 主要从事控制理论与控制工程研究 E m a i l w a n g h o n g l i n g 7 2 0 4 0 9 1 6 3 co m 第 6 期 王洪玲等 基于模糊控制器的按摩机器人的力度控制 5 8 7 的关注 北京理工大学 江苏大学 等高校等都对此 类机器人进行过研究 近几年 随着生活水平 的 日 益提高 市场需求逐步扩大 其他 国家也紧随其后相 继投入开发生产 其总体发展具有数字化 智能化 人性化等特点 但 总的来看智能机器人的研究还刚刚起步 在 自主能力和工作效率上还有 待提高 而按摩机 器人是一种重要的智能家用机器人 本研究根据按 摩机器人力度控制系统要求 针对 P I D控制器在按 摩机器人的按摩力 度发生变化 时产生 的不稳定 现 象 结合模糊逻辑控制技术 的特点和实验按摩机器 人的特性 设计 了一种专用于按摩机器人 的模糊控 制器 这种双输人单输 出的模糊控制器 能通过模糊 控制规则对输入数据进行判断 自动调节控制输出 使机器人能根据不同的按摩部位和电机本身的特性 自主调节按摩力度 保持机器人按摩力度稳定 本 文把多规则模糊控制器引入到了按摩机器人的按摩 力度控制系统 并且通过仿真实验证明 了其可行性 和 良好的控制效果 1 按摩机器人 的结构与功能 中医按摩机器人主要由按摩升降平 台 机械臂 按摩手三部分组成 如图 1所示 按摩手通过机械 臂与按摩升降平台连接 在 Y轴和 z轴方 向上是 通过直角坐标的方式运动的 其它的是通过关节 方 式运 动 的 图 1 按摩 机器人立体结构图 中医按摩 机器人的按 摩升 降平 台长 2 3 0 0 m m 宽 1 0 0 0 mm 高度可以在 7 1 5 8 7 0 mm范围内调节 左右两个机械臂可 以单独动作 在 y轴方 向上的运 动距离是 9 0 0 m m 在 轴方向上的按摩范围能够达 到 1 9 0 0 m m 在 z轴上的升降高度为 3 0 0 m m 旋转 臂可以绕着 z轴旋转 其旋转范围是 6 0 按摩升降平台主要 由床板 身高检测组件 升降 平台 升降传动杆组件 固定平台 升降转动架组件 脚轮组件组成 机械臂在 l 轴和 z轴方 向是 以直角坐标 的方 式运动的 在 y轴 和 z轴方 向上 的运动都是通过 直线轴承与直线光轴导向 由伺服 电机驱动滚珠丝 杆来带动机械臂的运动 按摩手主要 由各种电机组成 包括捏拿电机 振 动电机 指揉电机 手腕电机 叩击电机 平面旋转 电 机 升降电机 旋转电机 和前后 电机 是按摩手完成 各种所要求的按摩动作的机械部件 2 整体控制系统 的建立 2 1 实验环 境 的建立 按摩机器人采用直流伺服电动机驱动 电动机最 大功率为 7 0 W 额定 电压为 2 4 V 运动控制模块可实 现按摩手在 y z三个方向上的移动 以及姿态的 改变 编码器信号反馈到主控制器 实现对电机速度 的闭环控制 而且可以实时记录按摩手 的当前坐标 并传送到上位机 此外 y z三个方向导轨上各安 装有两个限位开关 控制电机运动量程 每次新的按 摩任务执行之前 自动完成按摩手的复位 按摩手控制模块可实现不同的按摩手法 传统 中医按摩包括指按 掌按 指揉 掌揉和扣击等十种 按摩手法和熨疗手法 按摩手主要实现按和揉两种 动作 通过两普通直流电机配合完成 运动控制系 统提供相应 的控制接 口 向按摩手控制模块发送相 应 的控制命令 控制按摩手的按摩动作 2 2 控制系统的建立 图 2 控 制系统的结构 图 设计控制系统的结构框图如图 2所示 整个控 制系统是一个单输入 单输出的闭环控制系统 输入 的量为给定力度 在系统按摩时通过上位机设定 输 出量为机器人 当前按摩力度 将力度的误差量 e和 误差量变化率 e c 送到模糊控制器 模糊控制器经过 5 8 8 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 0年 运算处理后给出一个电机的控制输 出 3 模糊控制器的设计 3 1 模 糊控 制器 的结构 设计 为使按摩机器人能根据力度误差和力度误差变 化率 自主地调节 自身 电机的输 出功率 所以确定本 模糊控制系统设计为双输入单输 出系统 力度的误 差 假设设定力度为 实际按摩力度为 F 则力度 误差 e 1 0 0 即实 际力度和设定力度 的 O 差值与设定力度的 比值 和力度误差 的变化率 力 度误差变化率 e c 作为控制器的输入变量 直流 t 儿 伺服电机 的控制输 出功率作 为控制器 的输 出变化 量 模糊控制器的结构如图 3所示 图 3 模糊控制器结构图 3 2 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是设计模糊控制器的关键 一 般包 括三 部分设 计 内容 选择 描 述 输 人输 出变 量 的 词集 定义各模糊 变量的模糊子集及建立模糊控制 器的控制规则 3 2 1选择输入输出变量模糊子集及其隶属度函数 针对本设计要求 使输入变量和输出变量的隶 属度函数为三角形隶属度函数 按摩机器人正常输 出力度范围为 4 1 6 k g 设期望输 出力度为 lO k g 则力度误 差 e的论域为 4 1 0 1 6 1 0 即 e 一6 6 力度误差变化率 e c e K 一e K一1 根 据多组实验数据可测得力度误差 变化率 e c 的论域 为 一 3 5 3 5 即 e c 一3 5 3 5 设控制输 出 变量 t 的论域是 U 一2 4 2 4 V 正电压表示 电 机正向运转 负电压表示 电机反 向运转 在论 域 e 一 6 6 上建立五个模糊子集 A A 其 相应语言变量是 e 负大 负小 零 正小 正大 在论域 e c 一3 5 3 5 上建立五个模糊子集 B B 曰 B 其相应语言变量是 e c 负大 负小 零 正小 正大 在论域 u 一2 4 2 4 上建立七个 模糊子集 C C 其相应的语言变量是 u 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 图4和图5是模 糊控制器输人变量的论域和模糊集合 的隶 属度函 数 图6是输出变量 的论域 和模糊集合的隶属度函 数 且 b I e e c 图 5 力度误差变化率的隶属度函数 幢 v 带 u 图 6 控制输 出的隶属度 函数 3 2 2 模糊控制规则的建立 输入变量 力度的误 差 e和力度 的误差变化率 ec0 输 出变量 直流伺服电机的控制电压 u 是模 糊控制器的输 出 模糊控制器首先输出脉冲个数 通 过 P WM脉冲脉宽调制后 输 出直流伺 服电机 的控 制电压 U 系统 的输 出是直流伺服电机的输 出功率 P 它受模糊控制器输出 的控制 则可将控制规则设计成如下形式 规则 一 若机器 人 按摩力 度 的误 差 e为 负大 N B 且误差变化率 e c 也为负大 N B 则使模糊控制器 输出电压为正大 P 因为 e N B 一 6 且 e c e 一 e k 一1 一 3 5 0 表明误差沿负方 向越 来越大地偏离期望值 所以根据实际情况 控制器应 6 王洪玲等 基于模糊控制器的按摩机器人 该输出正的最大电压 P B 即 P B 2 4 V 写成模 糊条件语句的形式如下 I f e NB a n d e C NB t h e n u P B 规则二 若 机器 人按摩 力度 的误差 e为负 大 N B 且误差变化率 e c 为正大 P B 则控制器输出电压 为正中 P M 写成模糊条件语句的形式如下 I f e NB a n d e c PB t h e n U P M 规则三 若 机器人 按摩力 度 的误 差 e为正大 P B 且误差变化率 e c 为正大 P B 则控制器输 出电压 为负大 N B 写成模糊条件语句的形式如下 I f e PB a n d e c PB t h e n U NB 依照 同样的方法可以写出其它各条规则 将各 种情况和相应的控制策略汇总 共建立 2 5条模糊控 制规则 模糊规则表如表 1 输入到 m a t la b窗 口进行模糊控制 器仿真的模 糊控制规则表如下 1 I f e i s N B a n d e c i s N B t h e n u i s P B 1 2 I f e i s N B a n d e c i s N S t h e n U i s P B 1 3 I f e i s N B a n d e c i s Z O t h e n u i s P B 1 4 1 f e i s N B a n d e c i s I s t h e n U i s P M 1 5 I f e i s N B a n d e c i s P B th e n u i s P M 1 6 1 f e i s N S a n d e c i s N B t h e n u i s P B 1 7 I f e i s N S a n d e c i s N S t h e n u is P M 1 8 I f e i s N S a n d e c i s Z O t h e n i 1 i s P S 1 9 I f e i s N s a n d e c i s P S t h e n U i s P S 1 1 0 I f e is N S a n d e c i s P B t h e n u i s Z O 1 1 1 I f e i s Z O a n d e e i s N B t h e n u i s P s 1 1 2 I f e i s Z O a n d e l i s N S t h e n 1 1 i s P B 1 1 3 1 f e i s Z O a n d e c is Z O t h e n u i s Z O 1 1 4 I f e i s Z O a n d e c i s P S t h e n u i s P S 1 1 5 I f e i s Z O a n d e c i s P B t h e n I 1 i s P s 1 1 6 i f e i s P s a n d e c i s N B t h e n u i s z o 1 1 7 I f e i s P S a n d e c i s N S t h e n U i s N S 1 1 8 I f e i s P s a n d e c i s Z O t h e n u i s N S 1 1 9 I f e is P s a n d e c i s P s t h e n u i s N M 1 2 0 I f e i s P S a n d e c i s P B t h e n U is N M 1 2 1 I f e i s P B a n d e c i s NB t h e n u i s N M 1 2 2 I f e i s P B a n d e c i s N S t h e n U is NM 1 2 3 I f e i s P B a n d e c i s Z O t h e n i 1 i s NB 1 2 4 I f e i s P B a n d e c i s P S t h e n U i s N B 1 2 5 I f e i s P B a n d e c i s P B t h e n u i s N B 1 表 1 模糊控制规则表 e c NB NS Z O P S PB NB PB PB P S ZO NM NS PB P M P S N S NM ZO PB P S ZO NS NB P S P M P S P S NM NB PB P M Z 0 P S NM NB 图 7为由系统模糊推理规则和重心法解模糊而 观察输 出结果 通过该图可 以清晰地看到当输入不 同时 由模糊推理规则所产生的输出电压值 图 7 推理规则作用过程和重心法解模糊 图 8为由系统输人变量和模糊控制规则而观察 到的模糊控制器输出量 图 8 模 糊 控 制 器 输 出量 3 3 模糊逻辑算法 3 3 1 模糊推理算法 按摩 机器 人 的按 摩 力 度模 糊 控 制 系统 采用 Ma md a n i模糊逻辑推理合成规则 模糊逻辑关系取 R e e c u R e e c 11 由模糊 逻辑推理法可 知 对于每一条模糊控制规则可 以得到一个输人输 出关 系矩 阵 R R e e c 一 R e e c M 3 3 2 解模糊算法 按摩机器人按摩力度控制的模糊控制器解模糊 算法采用重心法 重心法是取模糊隶属函数曲线与 山 东 建 筑 大 值 引 即 0 4 结论 a b 一 f 1 2 一 一3 一4一 5 6 7一 8一一9 一1 0订一 2 1 3 s 图 9 不同方式下的力度变化 曲线 本文把模糊逻辑推理应用到按摩机器人的按摩 力度控制中 将按摩力度误差和力度误差变化率作 为模糊控制器输入 直流伺服 电机