案例概述

絕大多數機器人是通過使用測量關節旋轉的編碼器來控制的。即便使用了超高精度的編碼器，機器人移動到絕對 XYZ 位置以及 ABC 方位的能力仍然受撓度、熱膨脹及制造變化的限制。某些應用（例如放置磁盤驅動器的讀出磁頭）需要極高的定位精度，只能由價格高昂的專用機器人來完成。視覺伺服技術可以解決這一難題，它通過視覺系統獲取圖像，可確定機器人末端執行器和目標的相對位置。機器人控制器可生成運動指令，讓末端執行器朝目標方向移動。視覺系統獲取新的圖像，然后由機器人控制器相應地更新其運動指令。這一過程反復進行，直至視覺系統確定機器人的末端執行器已到達預定位置。視覺伺服可達到數微米的放置精度，無需使用極其昂貴的機器人。

如果既不能將視覺系統安裝在末端執行器上，也無法獲取末端執行器的圖像，應用就會變得復雜。例如，金屬切削工具的末端執行器通常埋在工件中，并有可能被切屑和冷卻劑進一步遮蔽。對于這類應用，可采用替代方式來獲取機器人腿部的圖像，并利用這些圖像來控制末端執行器的位置。IRCCyN 的研究人員開發了一種視覺伺服系統，可根據對并聯機器人腿部的觀測情況來控制并聯機器人。并聯機器人由若干個并列組裝的支腿組成，并將機器人底座與末端執行器相連。它采用幾個線性或旋轉作動器，各個作動器之間的位置相互獨立，以支持末端執行器。與之相反，串聯機器人設計有一系列由電機作動關節相連的鏈環。可將這種方式應用到數種型號的并聯機器人上，例如 Adept Quattro 以及同一產品系列的其他機器人。

挑戰

但在某些情況下，當機器人的支腿按預期方式移動時，末端執行器不會終止于預期的位置。顯然，這一行為是由視覺系統的觀測結果與現實世界之間的映射造成的，但此時無法了解映射的屬性，也沒有能夠分析這種關聯性的工具。IRCCyN 的研究人員發現，可通過視覺伺服實況來解釋這一問題。其根據是，支腿的觀測結果相當于控制隱藏在控制器中的另一個機器人，其裝配模式和獨立形態均不同于實際使用的機器人。

隱性機器人是一種虛擬機器人，其運動學特性可以表征支腿方向空間與末端執行器位置和方位空間之間的映射。研究人員證明，機器人理論采用隱性機器人模型概念后，可充分解釋所觀測的機器人與預期最終位置和方位的潛在不收斂性。IRCCyN 研究人員決定嘗試確定一種常規方法，根據支腿的觀測結果，針對由視覺伺服所控制的任意類型并聯機器人來定義隱性機器人模型。這些研究基于理論計算，但也需要對其理論結果進行驗證。

解決方案

 

IRCCyN 研究人員 Sébastien Briot 指出：“將并聯機器人的 Adams 仿真與機器人控制器的 Simulink 模型集成在一起，可獲得用來驗證我們理論工作的理想平臺。”在近期的案例中，IRCCyN 研究人員采用這種理論，根據三種不同的控制原理來定義機器人控制器中的隱性機器人模型。在案例 1 中，僅根據對支腿方向的觀測結果來控制機器人。在案例 2 中，機器人控制器還納入了穿過驅動機器人的圓柱軸的多條線路空間中的部分方向及位置觀測結果。最后，在案例 3 中，研究人員進一步加入了穿過機器人支腿線路空間內的完整方向及位置觀測結果。

 

機器人末端執行器的初始形態為 z₀ = 0.20 m、Φ₀ = -0.90o、θ₀ = -0.10o。目標是到達 zf =0.40 m、Φf = -0.90o、θf = +0.10o 的末端執行器形態。

將上述三種控制器（案例 1、案例 2 及案例 3）與 Adams 模型集成在一起，以一秒的模型時間為步長對機器人行為進行仿真。案例 1 中的控制器僅基于支腿方向，機器人無法實現最終的末端執行器形態。案例 2 中的控制器基于支腿方向和支腿柱體的坐標，因此機器人可到達最終末端執行器位置，但無法到達正確的方位。最后，案例 3 的控制器包括了支腿方向以及支腿自身的坐標，因此機器人可到達末端執行器的正確位置和方位。IRCCyN 的研究人員還進行了實物實驗，與仿真結果非常吻合。

 

結果/收益

 

Sébastien Briot 總結道：“隱性機器人模型的概念是一個強大的工具，能夠分析一些由視覺伺服團體所開發的控制器的內在特性。Adams 仿真在我們的隱性機器人模型的理論工作驗證中起著重要作用。通過 Adams/Controls 將 Adams 與 Simulink 集成在一起，我們無需再寫入復雜的方程式來預測并聯機器人的動力學特性，同時可以獲得圖形化結果，讓我們能夠更加透徹地了解機器人的行為。”

 

關于 IRCCyN

 

南特通信與控制研究院（IRCCyN）是一家與法國國家科學研究中心（CNRS）關系密切的科研機構。其宗旨是實現多個領域的創新，其中包括機器人、自動控制、生產理論及圖像處理。