冰壺機器人設(shè)計與仿真范文

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《機器人產(chǎn)業(yè)》2017年第5期

摘要：針對冰壺運動在群眾中認(rèn)知度底、相關(guān)理論研究滯后等問題，設(shè)計了易于搭建、富有研究性的冰壺機器人。首先對機器人運動學(xué)進(jìn)行了建模，研究了冰壺機器人位置正、反解算法，分析了冰壺間的碰撞關(guān)系。利用Sysmac平臺搭建了冰壺機器人運動控制系統(tǒng)，研究了運動控制程序及擊打策略，通過3D仿真環(huán)境測試了設(shè)計的可行性，為進(jìn)一步研究智能算法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冰壺機器人；Sysmac；運動控制；3D仿真

0引言

冰壺運動起源于蘇格蘭，是一項技巧、智慧、個人和團體相結(jié)合、策略性較強的運動，距今已有500多年的歷史。我國開展這項活動的時間不長，但是近二十年時間取得了不少優(yōu)異的成績，2022年北京冬奧會為這項運動的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的契機[1]。但是，還存在群眾認(rèn)知度低、后備人才短缺、基礎(chǔ)建設(shè)落后等問題，人才的短缺是最緊迫的問題。為了一定程度上解決人才缺乏、社會認(rèn)知度低、科學(xué)研究缺乏等問題，設(shè)計了一種基于Sysmac控制平臺的冰壺機器人，首先對冰壺機器人進(jìn)行了動力學(xué)分析，初步研究了冰壺機器人控制程序及算法策略，最后進(jìn)行了算法仿真調(diào)試，為進(jìn)一步實現(xiàn)人機對戰(zhàn)、機機對戰(zhàn)做好前期工作。

1冰壺機器人運動學(xué)分析

1.1位置的正、反解

冰壺又稱為冰球，以最終場上冰球與圓心的距離遠(yuǎn)近來計算分?jǐn)?shù)高低，十分講究策略和智慧。本冰壺機器人平臺為了方便研究算法設(shè)計了一個如圖1的簡化的平臺，冰壺用模擬的圓柱體小球替代，對弈雙方可以是人-機，或者機-機，雙方根據(jù)視覺傳感器返回的小球的位置采用不同的策略進(jìn)行對戰(zhàn)。如果要控制機械手運動，需要分析其運動學(xué)正解、反解。

1.2冰壺碰撞分析

冰壺?fù)舸驎r兩球之間、球與球場之間會存在碰撞、反彈等物理運動，需要進(jìn)一步分析。其中碰撞有完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞和彈性碰撞三種，這里將模型簡化，默認(rèn)冰壺之間的碰撞遵守動量守恒定律，則只存在完全彈性碰撞。如圖3所示，球111O(x,y)速度為V，質(zhì)量為m1，球222O(x,y)速度為U，質(zhì)量為m2，半徑均為r。在t時刻兩球碰撞，設(shè)兩球球心連線O1O2為tx軸，過兩球切點且垂直于tx軸的為ty軸，碰撞后球O1速度為V'，球O2速度為'U。

2Sysmac控制平臺設(shè)計

2.1Sysmac控制平臺簡介

Sysmac控制平臺是歐姆龍公司新一代集運動控制、邏輯編譯、視覺分析為一體的自動化設(shè)計平臺，具有高速度、高精度和高可靠性等特點[4]。該平臺關(guān)注于自動化設(shè)備的一體化連接性能，由四部分組成，分別是集成順序邏輯、運動控制和網(wǎng)絡(luò)通信功能的機械自動化控制器NJ，整合運動、序列、驅(qū)動和視覺傳感、編程和仿真的Sysmac studio軟件，實現(xiàn)運動、視覺等信號高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制器EtherCAT，和可對整條生產(chǎn)線或者智能工廠實現(xiàn)控制協(xié)議的工業(yè)開放式網(wǎng)絡(luò)EtherNet/IP。

2.2運動軸組的建立

冰壺機器人通過左右兩個伺服電機來控制前端的平動盤沿著X-Y平面運動，這里采用Sysmac studio軟件來實現(xiàn)伺服軸的配置。首先在運動控制設(shè)置里添加兩根并聯(lián)的伺服運動軸MC_Axis000和MC_Axis001，分別為機器人的左右電機，然后如圖5所示，分別進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置、單位換算設(shè)置、軸操作設(shè)置等，最后將它們配置成的一個軸組MC_Group000。

2.3FB模塊設(shè)計

Sysmac平臺使用一個Sysmac studio軟件即可對整個機械系統(tǒng)進(jìn)行一體化編程，該軟件基于國際IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，提供了包含程序、功能和功能塊的POU編程環(huán)境。不同于以往的梯形圖編程環(huán)境，這種豐富的編程方式可以使程序更加條理化、易讀易維護(hù)化，由于冰壺機器人需要輸入的參數(shù)比較多，設(shè)計了如圖6所示的FB功能塊，通過集成化的功能塊實現(xiàn)多數(shù)據(jù)輸入、多數(shù)據(jù)輸出，僅需一個軟元件即可啟動程序。通過該FB可對冰壺機器人控制系統(tǒng)的球的參數(shù)、球的位置、場地環(huán)境等進(jìn)行設(shè)置，同時輸出目標(biāo)位置和初速度等關(guān)鍵信息。

2.4仿真環(huán)境搭建

Sysmac studio提供了完善的程序調(diào)試和仿真功能，支持運動模擬仿真，可以以2D或3D形式顯示跟蹤的數(shù)據(jù)和設(shè)備運動的軌跡。如圖7在“數(shù)據(jù)跟蹤設(shè)置--右鍵添加--單擊數(shù)據(jù)跟蹤”即可添加一個數(shù)據(jù)項目。如圖8所示即可進(jìn)行跟蹤類型、采樣間隔、后觸發(fā)速度比率、觸發(fā)條件等設(shè)置，點擊加載3D模型可以加載冰壺機器人3D模型，而冰壺機器人可以簡化為一個正交機械手，之后進(jìn)行運動仿真可以觀察各軸運動數(shù)據(jù)和仿真圖像。

3冰壺機器人程序設(shè)計及調(diào)試

3.1運動控制程序設(shè)計

冰壺機器人的控制程序主要是對Sysmac stduio中配置的兩個軸進(jìn)行運動控制，利用內(nèi)置的運動控制模塊MC（Motion Control Function Module）以及梯形圖與ST語言相結(jié)合的方式實現(xiàn)[5]。首先使用MC_Power指令對各軸進(jìn)行伺服鎖定，接著使用MC_Home指令將各軸回原點，最后啟用軸組指令MC_GroupEnable將MC_Group000設(shè)置為有效。冰壺機器人兩軸組成的軸組可以調(diào)用內(nèi)置的直線插補指令MC_MoveLinear來實現(xiàn)平面坐標(biāo)的位移，只需要輸入軸組、位置、速度、加速度等變量，其中位置、速度加速度參數(shù)可以由自編的ST算法語言計算得出。

3.2球場局勢檢測

冰壺機器人需要對場上敵我雙方球的數(shù)量和位置實時檢測，通常的做法是采用視覺傳感器捕捉場內(nèi)小球的球心坐標(biāo)，本系統(tǒng)由于先期采用模擬仿真的方式開發(fā)，故而場上的球均用系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬運動軸組來替代，通過輸入相關(guān)坐標(biāo)信息來仿真實際環(huán)境，驗證擊球算法。這里假設(shè)本方球最多有四個，對方最多也是四個，通過檢測球的X，Y坐標(biāo)值是否在球場內(nèi)可以判斷場上是否有球，再統(tǒng)計場上本方和對方球的數(shù)量和位置可以進(jìn)行球場局勢的判斷，為下一步擊打策略的實施做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3.3擊打策略的分析

經(jīng)過場上局勢檢測，獲得本方和對方球數(shù)量及位置分布數(shù)據(jù)，冰壺機器人需要采取不同的策略進(jìn)行擊打。如圖9所示，場上如果是有無球狀態(tài)，機器人可以直接擊打至靶心占據(jù)分?jǐn)?shù)最高位置，取得先發(fā)優(yōu)勢。如果場上只有一個對方球，可以直接將對方球擊打遠(yuǎn)離靶心，本方球取代其位置，亦可取得領(lǐng)先。如果場上存在本方球和對方球各一個，若發(fā)球到靶心間無遮擋，則可以直接擊打至靶心，否則判斷本方球是否離靶心更近，若本方球近則只需擊打一個半徑大小的力即可，若對方更近則采用策略二方式或者策略四將本方球擊打至靶心。

3.4仿真調(diào)試

冰壺機器人控制系統(tǒng)搭建完畢即可輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，通過不同的本方和對方球數(shù)量和位置可以驗證算法的可行性及擊打效果。這里選取本方球坐標(biāo)為[108,360]，對方球坐標(biāo)為[-155,480]，發(fā)球位置為[180,0]，如圖10所示，系統(tǒng)啟動并且開啟仿真調(diào)試后，系統(tǒng)判斷對方球離靶心近，但是通往靶心的路徑又被本方球阻擋，則采取策略二的方式把對方球打遠(yuǎn)。

4總結(jié)

本文分析了冰壺機器人運動學(xué)正解、反解以及碰撞的物理特性，建立了相關(guān)模型，基于先進(jìn)的綜合性Sysmac平臺，利用Sysmac studio設(shè)計了運動控制模塊，搭建了3D仿真仿真平臺。在仿真環(huán)境中研究了冰壺機器人控制算法，規(guī)劃了幾種擊打策略，為下一步研究智能控制算法奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李保玲,朱志強.我國冰壺運動國際競爭力的現(xiàn)狀與對策研究[J].哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報,2016,34(03):17-22.

[2]史金良,徐世許,吳琳婧.并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2014(10):46-47.

[3]孫濤,方漪.五桿并聯(lián)機器人運動軌跡插補計算[J].青島大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,23(04):65-68.

[4]鄭昌俊.基于Sysmac自動化平臺的超大型剪板機數(shù)字控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].江蘇大學(xué),2016.

[5]殷蘇民,孫駿,鄭昌俊等.基于NJ控制器的新型鋅膏注入機的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2016,38(06):93-96.

作者：眭翔 單位：常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院