动作控制（通用9篇）
动作控制 篇1
1 引言
气压传动技术具有工作介质(压缩空气)取之不尽、用之不竭,不污染环境;气动装置结构简单、轻便,安装维护简单;输出力及工作速度调节容易;防火、防爆、耐潮;可靠性高,使用寿命长等优点。它大量应用于生产自动化的各个领域,例如汽车制造工厂生产线,尤其是焊接生产线上:利用大量吸着(真空吸盘)、夹持(气爪)及搬送(各类气缸)对车体零部件进行定位与夹紧,在工位上传送;实现焊钳快速接近、减速软着于焊点,进行变压控制点焊等场合[1,2]。
2 顺序控制系统
气动顺序控制是指按照工艺流程的顺序,在控制信号的作用下,使生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作,是气压传动系统的一个重要应用部分[3,4]。运用气动和电气2种控制系统都可以实现顺序控制。本文以3组气缸顺序动作的控制系统设计为例,采用2种控制系统实现气动顺序动作,并对2种控制系统作出分析。
如图1所示,由气缸A、B、C组成3组气缸,需要执行的动作顺序为A+→B+→C+→C→B→A-,A+表示A气缸伸出,A-表示A气缸收缩,A0、A1、B0、B1、C0、C1分别表示对应气缸的开关信号。本文使用气动行程开关或电气元件传感器、磁-电式接近开关等元件来获取信号。
3 控制系统设计
根据图1的气缸动作顺序,得出其相应的逻辑关系,如图2所示。图2表示的逻辑关系如下:A气缸伸出,到达A1位置,并发出信号引起B气缸伸出动作,B气缸到B1位置,并发出信号引起C气缸伸出动作,其他的依次类推,直到A气缸缩回,完成一个流程顺序动作,如果不按停止按钮,气缸自动开始重复上一次的顺序动作。
从图1、图2可知:在A+→B+→C+→C-→B-→A-顺序动作过程中,出现了4个障碍信号A1、BO、B1、C0。A1信号阻碍B气缸缩回动作,因为A1信号是B气缸伸出的触发信号,而在B气缸需要缩回时,A气缸处于伸出状态,即A1信号一直存在,所以它阻碍着B气缸的缩回;同时B0阻碍A气缸伸出;B1阻碍C气缸缩回;C0阻碍B气缸伸出,引起的原因类似。因此,要顺利实现气缸要求动作,在控制系统设计中,需要消除这4个障碍信号。
3.1 气动控制系统设计
气动控制系统是利用气源(压缩空气)作为工作介质,通过气管组成的逻辑回路来驱动气动控制元件,实现气缸动作。因为每个气缸的伸缩状态由对应的两位五通阀的2个先导口的通气状态决定,所以如果按一定的顺序改变阀的先导口的通气状态,气缸就可以按照要求完成工艺动作。本文运用2个气动双稳来消障,设计出对应的回路图,如图3所示。从图3中可知:SB1为停止按钮,SB2为启动按钮,双气控两位五通阀MB1、MB2、MB3作为主控阀分别控制气缸A、B、C的动作,MB4、MB5的作用是消除气缸执行顺序动作过程中出现的4个障碍信号,两位三通单气控阀MB6与逻辑或阀OR1用作系统循环动作控制。原理图中气控阀初始状态为MB1、MB2、MB3、MB4、MB6均处于右位,MB5处于左位。图4为控制系统工作流程,其工作原理如下。
(1) A气缸伸出:按下按钮SB2,压缩空气通过或阀OR1进入单控阀MB6先导口,使MB6换向(左位),气源经单控阀MB6与行程开关A0 (左位),将气压控制信号送到阀MB4先导口MB4A和主控阀MB1先导口MB1A,主气源经主控阀MB1 (左位),推动气缸A伸出,并压下行程开关A1。
(2) B气缸伸出:压缩空气通过阀MB4 (左位)和行程开关A1 (左位),将控制信号送到主控阀MB2先导口MB2A,主气源经主控阀MB2 (左位),推动气缸B伸出,并压下行程开关B1。
(3) C气缸伸出:压缩空气通过阀MB5 (左位)和行程开关B1 (左位),将控制信号送到阀MB4先导口MB4B和主控阀MB3先导口MB3A,主气源经主控阀MB3 (左位),推动气缸C伸出,并压下行程开关C1。
(4) C气缸缩回:压缩空气通过行程开关C1 (左位),将控制信号送到阀MB5先导口MB5B和主控阀MB3先导口MB3B,主气源经过主控阀MB3 (右位),推动气缸C缩回,并压下行程开关C0。
(5)B气缸缩回:压缩空气通过阀MB5(右位)和行程开关C0 (左位),将控制信号送到主控阀MB2先导口MB2B,主气源经过主控阀MB2 (右位),推动气缸B缩回,并压下行程开关B0。
(6) A气缸缩回:压缩空气通过阀MB4 (右位)和行程开关B0 (左位),将控制信号送到主控阀MB1先导口MB1B,主气源经过主控阀MB1 (右位),推动气缸A缩回,并压下行程开关A0。
3.2 电气控制系统设计
电气控制系统的主系统是通过气源作为工作介质来驱动气缸动作,而控制部分由电器开关元件与电磁阀的线圈组成,通过电器组成的逻辑电路来控制电磁阀的换向,从而实现气缸动作顺序。本文选取电磁阀作为主控阀,控制部分选用继电器-接触器来设计控制系统,实现气缸顺序动作。图5为气缸工作的主系统原理图,图6为其控制电路图。图5中,电磁阀MV1、MV2、MV3作为主控阀控制气缸A、B、C动作,其对应的电磁线圈由图6控制,SB1为停止按钮,SB2为启动按钮,继电器K1与对应的常开触点用作系统气缸循环动作控制,继电器K2、K3用于消除系统中的障碍信号,其工作原理如下。
(1) A气缸伸出:按下按钮SB2,继电器线圈K1得电,常开触点K1闭合,主控阀MV1先导驱动线圈MV1A通过K1触点与行程开关A0得电,驱动MV1换向(左位),主气源经过阀MV1 (左位)推动A气缸伸出,并压下行程开关A1。
(2) B气缸伸出:主控阀MV2先导驱动线圈MV2A通过常闭触点K2与行程开关A1得电,驱动MV2换向(左位),主气源经过阀MV2左位推动B气缸伸出,并压下行程开关B1。
(3) C气缸伸出:主控阀MV3先导驱动线圈MV3A通过常闭触点K3与行程开关B1得电,驱动MV3换向(左位),主气源经过阀MV3左位推动C气缸伸出,并压下行程开关C1。
(4) C气缸缩回:主控阀MV3先导驱动线圈MV3B通过行程开关C1得电,驱动MV3换向(右位),主气源经过阀MV3右位推动C气缸缩回,并压下行程开关C0。
(5) B气缸缩回:主控阀MV2先导驱动线圈MV2B通过触点K3与行程开关C0得电,驱动MV2换向(右位),主气源经过阀MV2右位推动B气缸缩回,并压下行程开关B0。
(6) A气缸缩回:主控阀MV1先导驱动线圈MV1B通过触点K2与行程开关B0得电,驱动MV1换向(右位),主气源经过阀MV1右位推动A气缸缩回,并压下行程开关A0。
4 结语
本文运用2种控制系统来实现气缸的顺序动作,它们有如下特点:气动控制系统通过气管将各个气控元件连接,整个系统利用气源作为工作介质来驱动各个气控阀动作。在一些特殊环境下,如高温、易燃、易爆、对电气设备易造成损坏的潮湿、腐蚀等环境,应用优势较为明显。而电气控制系统分2个部分,主系统通过气源作为工作介质来驱动气缸动作,而控制部分则由电器开关元件组成的逻辑电路来控制,其特点是控制响应快,抗干扰能力强,可进行远距离控制。经过调试,2种控制系统完全达到设计要求,实现自动化控制,目前在汽车分拼焊装夹具控制系统中广泛应用。
参考文献
[1]徐文灿,刘韩钧.气动元件及系统设计[M].北京:机械工业出版社.1995.
[2]SMC(中国)有限公司.现代实用气动技术[M].北京:机械工业出版社,2012.
[3]胡海清.基于顺序阀的顺序控制回路故障及时策分析[J].液压气动与封,2010(4):44-47.
[4]韩明军.工装设备顺序控制的气动设计方法探索[J].企业科技与发展,2008(20):141-143.
动作控制 篇2
“一个生命的动作 ”大家肯定好奇什么是生命的动作?让我来告诉你。
在某年的五一长假中，一对夫妻带着未满一周岁的儿子去峡谷游玩，这是悲剧的开始。当他们饱览了一路的优美风景，到达山顶时，他们休息了片刻，准备坐缆车下山，风呼呼的响 ，缆索似乎就要断了似的。缆索卡住了，缆车停了，乘客们惊慌失措地喊起来了。可是，这一切都是徒劳的，因为缆车已经离山顶100多米了。这对夫妻头脑的第一反应是保住孩子，他们互相看一眼，又看了正在睡梦中的孩子一眼，就在这时，缆车慢慢地坠落到峡谷中，他们不约而同的把孩子举了起来，微笑的看着对方，闭上了眼睛。当救护人员达到时，孩子正在哇哇大哭。
这个生命的动作拯救了一个小生命，是他父母爱的凝结。在危急的生死关头，父母唯一想到的是自己的子女，这一切难道不令你感动?
断路器控制回路的动作异常分析 篇3
断路器机构箱与保护操作箱主要通过合闸、分闸、合位监视、跳位监视、重合闸闭锁等回路相连。若回路设计不当,则易导致断路器控制异常。本文针对某110kV新建变电站110kV断路器控制回路验收中出现的问题,提出相应改进措施。
该110kV新建变电站采用线变组接线方式;主变采用许继WBH-814A型微机保护,线路采用南瑞继保PRS-753DT型微机保护;110kV断路器为GIS开关(有一组合闸回路、两组跳闸回路),其机构箱与主变和线路的保护操作箱相连,远方手动分/合闸功能通过线路测控及线路保护屏操作箱实现,防跳功能由断路器机构箱实现。
1 断路器机构箱防跳回路与保护操作箱的配合问题
验收110kV断路器控制回路时,发现在远方或就地合闸断路器后,主变和线路的保护操作箱上的合位、跳位灯点亮,且断路器跳开后无法再合闸。分析该断路器合闸回路(如图1所示)后,发现断路器合闸且合闸令消失后,从跳位继电器TWJ引来的正电使断路器机构箱内防跳继电器K11一直励磁,导致断路器合闸回路断开,断路器无法再次合闸。在此情况下,只能通过断开断路器控制电源使防跳继电器返回后,断路器合闸回路才能接通。
1.1 问题分析
断路器机构箱防跳原理:操作断路器合闸时,断路器一旦合上,其常开辅助接点QF就闭合启动断路器机构箱内的防跳继电器K11,K11通过合闸令及自身的常开触点实现自保持,并断开串接在合闸回路中的常闭触点来断开合闸回路直到合闸令消失。为查出合闸令返回后,防跳继电器K11能通过跳位继电器TWJ回路引来的正电保持的原因,测出防跳继电器K11的返回电压为45V,断路器机构箱内防跳回路的直流电压为220V。
(1)断路器合闸且合闸令消失后,测得防跳继电器K11两端的电压为139V,由主变和线路的保护操作箱内两组跳位继电器TWJ并联组成的跳位指示回路两端的电压为79V。
(2)拆除其中一路保护操作箱的跳位继电器TWJ回路,测得防跳继电器K11两端的电压为102V,保留的跳位指示回路两端的电压为116V。
由测量数据可知,主变和线路的保护操作箱的跳位继电器TWJ回路与断路器机构箱内的防跳继电器K11串联的分压参数配合存在问题,导致断路器合闸且合闸令消失后,防跳继电器K11两端电压大于返回值,使防跳继电器K11一直自保持,断开合闸回路;断路器合闸后,跳位继电器TWJ上的分压达到其动作电压,使主变和线路的保护操作箱上的跳位指示灯在断路器处于合闸位置时也点亮。
1.2 问题解决
为了在不影响断路器防跳功能的前提下解决该问题,可考虑在断路器合闸后断开TWJ回路与防跳继电器K11间的回路。断路器合闸后,断路器的辅助触点首先发生变化,因此将断路器的常闭辅助触点串于跳位继电器TWJ回路[1](如图2中(1)所示),当断路器合闸且合闸令消失后,正电将无法从TWJ回路引入防跳继电器K11。但是该办法存在一个缺点:当断路器手合于故障时,断路器一合闸便立即跳开;当合闸令尚未消失,断路器已处于分闸状态时,断路器机构箱内的防跳继电器K11将动作,并通过保护操作箱的跳位继电器TWJ及断路器的常闭辅助触点自保持。因此,将K11的常闭触点也串于跳位继电器TWJ回路(如图2中(2)所示),以解决断路器手合于故障时出现的问题,并按南网关于断路器“远方/就地”切换控制回路设计要求,保护和监控系统分、合断路器应经“远方/就地”切换开关控制。
2 施工与设计不符的问题
在验收断路器控制回路时,还发现远方手分一次断路器后再次远方合闸时断路器立刻跳开,无法合上。分析断路器控制回路,发现现场施工时将测控装置的遥控合闸(YH)和遥控分闸(YF)分别接到线路保护操作箱(如图3所示的(1)、(2)处)及断路器机构箱(如图3所示的(3)、(4)(虚线)处)。很明显,图3中(3)、(4)处为多余接线,对断路器的控制产生了影响,其中,图3中(4)处的多余接线造成断路器经一次远方手分后再次远方合闸时立即跳开。
分析图3回路,断路器经一次远方手动分闸后,6ZJ动作,其辅助触点动作使断路器跳闸。图3中(4)处接线的存在,使正电通过主变保护操作箱的合位继电器HWJ引到6ZJ,导致6ZJ自保持,断路器远方手跳回路一直接通。实测6ZJ的动作电压为135V,返回电压为85V。现场测出不同情况下6ZJ两端的直流电压数据如下。
(1)断路器在合闸位置时,6ZJ和断路器第一路跳闸线圈回路并联后与主变保护操作箱合位继电器HWJ回路串联,测量6ZJ上的分压为30V,6ZJ不动作。
(2)断路器在分闸位置时,断路器的跳闸线圈回路不通,6ZJ与主变保护操作箱合位继电器HWJ回路串联,测量6ZJ上的分压为122V,6ZJ不动作。
从以上测量数据可知,断路器在合闸和分闸状态下,6ZJ两端的电压均未达到其动作值。但当断路器经过一次远方手动分闸,且6ZJ动作后,6ZJ与主变保护操作箱合位继电器HWJ串联,6ZJ上的分压将大于其返回值,6ZJ一直处于自保持状态,使断路器的手动跳闸回路一直动作,即出现断路器在远方手分一次后再次远方合闸时立即跳开,无法合上的情况。拆除图3中(3)、(4)处的接线后,再对断路器进行各种分、合闸试验,动作正确。
3结束语
在此次验收中,发现的断路器控制回路异常主要由施工设计图设计不合理造成,这说明正确的施工设计图的重要性。施工设计图的设计除了在原理上需保证正确外,还应符合现场的实际应用条件和要求。
参考文献
规定动作不走样 自选动作创特色 篇4
【来源： | 发布日期：2014-04-18 】 【选择字号：大 中 小】
——县编办扎实推进党的群众路线教育实践活动 县编办党的群众路线教育实践活动开展以来，在县委第五督导组的具体指导和督导下，按照县委统一部署和《县编办党的群众路线教育实践活动推进计划》，结合工作实际，丰富活动内容，创新活动载体，扎实有序推进教育实践活动的深入开展。
一是学习规定篇目。在集中学习中，学习了《论群众路线——重要论述摘编》、《党的群众路线教育实践活动学习文件选编》、《厉行节约、反对浪费——重要论述摘编》、《干部作风建设案例读本》、《党章》、《廉政准则》和总书记一系列重要讲话精神，通过学习使党员干部深刻认识开展党的群众路线教育实践活动的意义、目的、要求，并做到“六有四落实”，“六有”即有机构、有方案、有计划、有记录、有笔记、有心得；“四落实”即学习人员落实、学习时间落实、学习材料落实、学习效果落实。目前，共集中学习15次，党员干部每人平均读书笔记100页，撰写心得体会5篇。
二是创新活动载体。组织全体干部职工观看《四风之害》、《坚决反对四风》、《苏联亡党亡国20周年祭》等警示教育片；参观康县陇南革命根据地纪念馆，接受红色文化教育；深入联系的铜钱乡王湾村，与王湾村“两委”班子及全体党员进行座谈，宣讲党的群众路线教育实践活动精神；制作党的群众路线教育实践活动宣传栏，坚持做到“六个结合”，即把教育实践活动与深化机构编制规范化管理相结合，与推进政府机构改革相结合，与深化行政审批制度改革相结合，与推进事业单位分类改革相结合，与机关建章立制相结合，与转变工作作风和提高工作人员素质相结合。同时，大力倡导党员干部职工自学，通过看电视、看报纸、看杂志期刊等多种方法丰富学习形式，使学习不枯燥、不应付，真正达到以学促用的目的。
三是开展学习交流。全体干部职工结合学习内容和工作实际，对党的群众路线教育实践活动进行深入思考，召开专题学习交流会，畅谈自己学习体会。交流发言围绕“四个如何”展开：如何认识深入开展党的群众路线教育实践活动重大意义；如何在新形势下更好地开展机构编制日常工作；如何按照党章要求，践行党的宗旨，充分发挥党员干部的先锋模范作用；如何改进自身存在的问题，提高服务群众的工作能力。通过学习交流，全体干部职工进一步夯实了思想理论基础，切实改进了工作作风，提高了工作效率，达到了学习工作“两不误”、“两促进”。
动作控制 篇5
1 煤矿运输事故发生的危险动作种类分析
对于事故类型来说, 通常分为四大类: 一般事故、较大事故、重大事故以及特重大事故。根据近年来我国煤矿运输事故种类发现, 较大事故偏多, 重大事故以及特重大事故偏少。而引发较大事故的原因均为煤矿运输工作过程中潜在的危险动作。在煤矿运输过程中, 主要的工种分为七类: 班组长、绞车操作工、检查维修人员、信号工、把钩工、井下其他作业人员以及其他工种[2]。上述工种在实际工作当中, 均会有不安全动作出现, 不安全动作则会进一步引发一些事故。为了这些危险动作得到有效控制, 需在工作开展前做好相关教育工作, 增强各类工作的安全意识, 严谨工作态度, 进而使煤矿运输事故的发生消除在萌芽之中。
2 各工种危险动作分析
2. 1 班组长危险动作及成因
班组长在工作岗位中存在的危险动作主要包括三类: (1) 没有及时制止工人出现的违规蹬车以及作业等; (2) 违反规定乘坐矿车; (3) 出现违规操作以及失误操作。其中, 出现违规操作以及失误操作的次数较为频繁, 总结起来主要是班组长在违章指挥及违规作业危险性方面的知识较为缺乏, 在安全知识认知水平偏低的情况下, 便极易引发风险事故。
2. 2 绞车操作工危险动作及成因
绞车操作工的不安全动作总结起来共有三类: (1) 没有对机车引发的异常状况采取有效处理措施; (2) 基于人料混乘的状况下擅自开动绞车; (3) 没有及时采取减速或者刹车措施。上述危险动作当中, 第一类发生的概率颇高[3]。总结起来, 引发上述危险动作的原因表现在两方面: 一方面, 绞车操作工安全知识匮乏, 没有认识到在人料混乘的情况下擅自开动绞车存在较大的危险性。另一方面, 没有养成良好的安全习惯, 对于钢丝绳状况的检查工作敷衍了事。
2. 3 检查维修人员危险动作及成因
检查维修人员危险动作主要有两类: (1) 对于罐笼、绞车以及矿车等等设备的连接装置状况、井筒安全设施检查不到位; (2) 没有对钢丝绳进行全覆盖检查。导致检查维修人员引发上述两类危险动作的因素体现在两方面: 一方面, 安全意识薄弱; 另一方面, 没有养成良好的安全习惯。在这两方面原因的影响下, 便极易导致检查维修人员引发危险动作, 进而使煤矿运输事故发生的概率大大增加。
2. 4 信号工危险动作及成因
信号工危险动作包括信号错误地发送以及没有持证上岗。其中, 错误地发送信号现象较为严重。一方面, 在信号工安全知识水平偏低的情况下, 便难以将信号正确地发送出去[4]; 另一方面, 在安全意识薄弱的情况下, 便可能会使信号工出现无证上岗的情况。显然, 这些均容易引发风险。
2. 5 把钩工危险动作及成因
把钩工的危险动作诸多: (1) 没有对人料混乘采取及时制止措施; (2) 没有对矿车、人车的连接情况进行及时检查; (3) 没有对超挂车以及超载等状况进行及时处理。出现上述危险动作的原因体现在三方面: 其一, 缺乏超挂车、超载等方面等危险性知识; 其二, 对于及时检查矿车连接情况的意识较为缺乏。其三, 没有养成良好的安全习惯, 比如对于人料混乘情况的制止未能及时实施。
2. 6 井下其他作业人员危险动作及成因
井下其他作业人员的危险动作主要表现为擅自行动。引发此类危险动作的原因体现在三方面: 其一, 安全知识缺乏, 对于在违规乘坐矿车以及蹬车的危险性知识较为匮乏; 其二, 安全意识薄弱, 对于擅自行动此类危险事故未能正确认识; 其三, 没有养成良好的安全习惯, 例如在正确乘坐人车方面的习惯较为缺乏。总之, 在上述因素下, 便容易使井下其他作业人员制造危险动作, 进而容易引发风险事故。
3 控制煤矿运输事故发生的有效对策探究
导致各工种引发危险动作的原因有: 缺乏安全知识、安全意识薄弱、没有养成良好的安全习惯。应系统的加以完善。
3. 1 对各工种的培训内容加以明确
要明确各工种的培训内容, 不同工种采取不同的培训内容, 着重强调培训内容的针对性及科学性。以班组长为例, 需要加强他们在违规乘坐矿车危险性方面的知识培训, 培养他们养成良好的安全习惯, 能够对工人违规蹬车行为以及违规作业行为进行及时遏制[5]。在培训过程中, 需注重案例培训法的应用, 即为视频播放真实案例法, 通过活鲜鲜的煤矿运输事故, 使各工种认识到安全作业、规避危险动作的重要性。
3. 2 合理设置培训时间
需合理设置各工种人员培训时间, 在不影响各工种人员正常工作的前提条件下, 进行安全知识教育。以视频播放教育为例, 所播放的视频需与该班下井工人的工作密切相关。因大多数煤矿企业工人是三班倒制, 因此需针对每一班工人采取班前视频教育措施, 将每一班人视频播放教育控制在每三天到七天一次, 以此确保视频教育的规律性, 避免工人审美疲劳。在教育过程中, 讲解员需对各类工种危险动作进行详细讲解, 以此使工人的认知水平得到有效提升, 进而避免在作业中做出危险动作。
3. 3 采取科学的效果检验措施
对于煤矿运输过程中各工种人员来说, 获取培训知识的多少决定了是否能够在今后的工种作业中规避危险动作。因此, 便需采取科学的效果检验。检验方法有二: (1) 笔试检验方法。对各工种人员采取定期考试, 了解工人的知识水平。通过考试再次了解工人所缺乏的知识面, 进而完成相应的培训工作; (2) 虚拟现实模拟检验方法。为了提高检验效果, 在采取笔试检验的基础上, 还需要融合虚拟现实模拟检验[6]。通过虚拟现实的模拟, 更深入地了解各个工种基于工作过程中所潜在的危险动作, 通过统筹分析, 再进一步对工人进行培训教育, 从而使工人的整体作业水平得到有效提升。无论是笔试检验还是虚拟现实模拟检验, 均需要根据不同工种的工人采取有针对性的检验内容, 这样才能够确保检验的有效性及科学性。
4 结语
通过对煤矿运输事故发生的危险动作分析, 只有做好各工种的培训工作, 才能有效避免煤矿运输事故, 进一步为煤矿运输效益及安全性的提升奠定坚实的基础。
摘要：近年来, 我国煤炭企业发展迅速, 但在煤矿运输环节潜在一些较为明显的风险, 而这些风险大多数是由于危险动作引发的。本文在分析煤矿运输事故发生的危险动作种类及各工种危险动作的基础上, 探究控制煤矿运输事故发生的有效对策。
关键词：煤矿运输事故,危险动作,控制对策
参考文献
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动作控制 篇6
机器人的发展历史可以追溯到1968年, 美国研究人员R.Smosher制作了一台操纵型双足步行机械Rig, 从而揭开智能双足机器人研制的序幕[4];1969年, 日本早稻田大学教授加藤一郎研制出了具有六个自由度的平面自由度步行机WAP-1, 它是采用人造橡胶肌肉为关节, 通过肌肉收缩牵引关节转动来实现动作, 但因只具有六个自由度, 所以它的稳定性不高[5];国内的起步较晚, 哈尔滨工业大学于1985年开始研制双足机器人;1989年, 国防科技大学研制成功一台具有是十个自由度并且能进行静态和动态步行的双足行走机器人;本文介绍了Robonova-2智能双足机器人模拟人类的前进、后退、转弯、横向跨步、前滚翻、后滚翻、侧手翻、单腿支撑蹲起、倒立、做俯卧撑、伏地起身等各种各样的动作。并伴随着一定的音乐节拍, 实现机器人舞蹈效果。
1 软硬件详述
1.1 机器人规格
Robonova-2智能双足机器人具有17个自由度, 肩宽为9.0厘米, 双臂伸平横向长度为18.0厘米, 直立高度为32.0厘米, 此尺寸类似于人体比例, 由此做出的舞蹈动作更美观, 稳定性也随之加强。Robonova-2采用可充电锂聚合物电池供电, 充电时间为60分钟左右, 保证了机器人保持非连续工作一小时以上。
Robonova-2智能双足机器人上肢三个自由度、下肢五个自由度和头部一个自由度共17个自由度, 如图2。九号舵机控制机器人头部的旋转运动方向, 六号、七号、八号和十二号、十三号、十四号分别控制机器人的左右手旋转运动方向, 零号、一号、二号、三号、四号和十八号、十九号、二十号、二十一号、二十二号分别控制机器人的左腿和右腿运动。通过烧录软件将代码烧录到主板中, 控制电路板接受来自信号线的控制信号, 控制电机转动, 电机带动一系列齿轮组, 减速后传动至输出舵机, 这一系列的运动使机器人完成各种复杂的动作。
1.2 编程软件R-BASIC
R-BASIC全称Robo Basic, 可作为Robonova-2智能双足机器人的编程软件, 如图3, R-BASIC是专为控制机器人设计的一种类C语言, 连接机器人与电脑, 设置相应端口, 通过一些定义的变量和语句编程, 用robo Basic命令控制机器人各舵机的旋转角度从而控制机器人舞蹈。主要包括头文件和一些动作函数, 用户自定义一些机器人动作, 然后通过robo Basic语法对该动作函数进行实现, 在每个函数之间加入适当的延时, 一个基本的控制机器人的程序就完成了。robo Basic的语法是基于普通的BASIC程序的语言, 大多数的robo Basic和BASIC相像。R-BA-SIC的一些常用指令有DIM指令, 用于变量的声明;GOSUB, 用于调用子程序;SPEED指令, 用于设置伺服电机速度;DELAY指令, 用于延迟程序执行的指定时间。
2 机器人舞蹈的动作设计过程
智能双足机器人的舞蹈动作设计, 是设计者根据真人舞蹈、卡通视频以及想象中的舞蹈动作, 按照机器人本身的机械结构和形象特点, 设计各种个性化的动作。通过控制舵机在指定时间内到达指定角度, 使机器人形成预想的空间动作, 如图4。智能双足机器人完成一个期望的动作主要有两个过程, 一是将动作数字化, 即把真人的动作表示成舵机的旋转角度、旋转速度以及完成时间等数据序列;二是按照这些数据序列控制机器人运动, 在规定的时间内完成相应的舞蹈动作[4]。
智能双足机器人的舞蹈动作设计方法主要有以下两种:
1) 直观估测法:这种方法基于简单模仿的思想, 直接模仿模特动作, 由此进行设计与实现。观察真人动作, 目测估计各个动作的参数, 如时间间隔、舵机旋转角度、舵机旋转速度等。将估测到的数据用robo BASIC语言写入单片机控制板, 编译运行后观察动作的效果, 如果效果不佳, 则返回修改相关数据, 重新执行, 直至确定最终结果。这种方法在观察真人动作时存在很大的随意性与不确定性, 并且在将这些参数写入单片机控制板之前, 机器人并没有给出相关反馈, 究竟在这组数据控制下的舞蹈动作是否稳定、协调、美观, 是否与音乐合拍等。因此, 用直观估测法设计机器人舞蹈动作需要进行反复多次调试。
2) 动作示教法:这种方法是认为对机器人各关节进行一定角度的旋转, 将其摆置成期望的动作, 记录这个动作所对应的舵机参数值, 然后通过robo BASIC语言将各个参数值按组写入单片机控制板, 编译运行后观察动作的效果, 并不断调整参数值直至达到最理想状态。这种方法的优势在于可以直接反映出各关节运动的参数值, 即可以直接将机器人动作转化为相应的数据程序, 减少直观估测时反复调试的次数。
3 稳定性研究
3.1 静态步行与动态步行
智能双足机器人的行走方式分为两种:静态步行和动态步行。静态步行是指双足机器人在行走过程中一直处于静态平衡状态, 即其重心在地面的投影始终位于支撑面内。静态步行时, 各杆件的速度及加速度较小, 可不考虑惯性力的影响对机器人的影响, 其着地时脚掌与地面接触的瞬间速度可以忽略, 可认为不发生碰撞, 因此稳定性较易控制。而动态步行是一种高速步行方式, 动态步行时, 由于其高速性, 使得机器人在前向和侧向两个平面产生惯性力, 破坏了静态平衡, 稳定性不易控制。从能量角度分析, 静态步行的驱动力矩主要是克服重力矩的, 而动态步行的驱动力矩是克服重力与惯性力的合力矩的。
机器人重心 (center of gravity, COG) 在地面的投影可体现静态步行的稳定性。智能双足机器人在行走的过程中, 左右脚掌交替落地支撑, 产生一个不断移动和变化的支撑面。在此过程中, 如果机器人重心在地面的投影始终保持在支撑面内, 称为满足静态稳定性条件。在机器人步行速度较低时, 满足静态稳定性条件可保证机器人实现稳定静态步行。相反, 若其重心在地面的投影落在支撑面边缘则处于临界稳定状态;落在支撑面之外, 则处于不稳定状态, 此时机器人会发生倾倒。因此, 保持双足机器人重心在地面的投影始终落在支撑面内, 才能实现其稳定的静态步行, 如图5。
动态步行时, 由于机器人惯性力的作用, 其重心在地面的投影可能不会一直落在支撑面内, 还会落在支撑面边缘, 如图6所示, 因此对其动态步行时的稳定性的研究不能用重心在地面的投影来体现, ZMP概念的提出, 为机器人动态步行稳定性的研究提供了依据。
3.2 ZMP稳定性判据
智能双足机器人在动态行走、舞蹈的过程中, 与地面的接触面积较小, 重心较高, 易发生倾倒。因此, 步行的稳定性一直是智能双足步行机器人所要解决的技术重难点。常用的步行稳定性理论是ZMP (Zero-Moment Point, 零力矩点) 稳定性判据。
1972年, 伍科布拉托维奇 (Vukobrastovic) 等人首次提出了ZMP概念, 后成为研究双足机器人稳定性的经典理论。ZMP指地面上双足机器人足底受到的合力点, 由于力的相互作用, 其足底将受到的地面反作用力, 反力在该点绕其在地面上的力矩分量为零。当双足机器人静态步行时, 其重心在地面的投影和ZMP重合, 如图7所示;动态步行时, 由于速度的存在而产生惯性力, 导致机器人的重心在地面的投影不能一直保持与ZMP重合, 如图8所示。当重心在地面的投影落在支撑面之外时, 机器人运动是不稳定的;若ZMP点落在支撑面以内, 则机器人运动是稳定的[6]。
在智能双足机器人行走的过程中, ZMP应始终保持在支撑面区域之内。若单脚支撑, 则ZMP位于支撑脚的支撑区域内, 此时机器人保持动态平衡, 否则机器人会因稳定性不高而倾倒。
在机器人行走的过程中, ZMP应一直保持在支撑脚掌所组成的凸多边形有效支撑面内。如图9和图10所示, 单脚支撑时, ZMP位于支撑脚的支撑面内时机器人能保持静态平衡, 符合稳定性要求;双脚支撑时, ZMP位于支撑多边形以内且距边缘一定距离时, 机器人保持动态平衡, 满足稳定性要求;反之, 若ZMP位于稳定支撑于的边界, 那么机器人将会倾倒或倾倒的可能性较大, 此时为临街稳定性状态;若ZMP位于单脚支撑时的支撑多边形之外, 那么机器人会因不能保持平衡而倾倒, 这就是ZMP稳定性判据。ZMP的引入, 为双足机器人的稳定性及动态步行的设计提供了重要的理论依据。
3.3 不稳定原因
导致智能双足机器人不稳定的原因主要有以下五点:
1) 双足机器人自身的不稳定性。由于双足机器人的各个活动关节为舵机, 在无电机驱动力的情况下, 机器人难以保持直立状态, 在有电机驱动力的情况下, 当机器人的重心在地面的投影落在足底且ZMP点落在支撑面以内时, 双足机器人才可能保持稳定行走, 否则就会倾倒。
2) 双足机器人本身是一个非线性的混合系统。其模型近似于倒立摆模型, 但机器人接触的平面是随机的, 即它的落脚点是任意的, 由此双足机器人是一个非线性的复杂系统。
3) 双足机器人所接触的地面随机。在地面特征未知的情况下, 机器人稳定步行的条件是苛刻的, 地面的任意角度都有可能导致机器人倾倒, 致使双足机器人稳定步行的难度加大。
4) 目前对人类步态行走以及人类运动稳定性机理的研究还不够深入, 有待进一步的学习和提高。
3.4 ZMP的计算
要实现机器人的动态步行, 必须保证零力矩点ZMP在机器人步行的过程中, 始终落在其支撑面以内。下面进行ZMP的计算。
在笛卡尔坐标系下的期望ZMP为[5]:
其中, (XZMP, YZMP, 0) 为机器人ZMP点的坐标;
mi为机器人各连杆的质量;
为机器人各连杆的质心加速度;
(Xi, Yi, Zi) 为机器人各连杆的质心坐标;
g为重力加速度;
当机器人静态步行时, 各连杆的质心加速度相等且为0, 即, 得:
由式 (3) 与式 (4) 得出智能双足机器人静态步行时的质心即为ZMP。所以, 只要机器人重心的投影落在其脚面上, 就能保证机器人步行的稳定性。
4 机器人舞蹈实验过程与结果分析
本实验通过不断计算ZMP的值以及调试机器人舵机的角度来调节其稳定性与美观性, 下面分别对机器人进行零点设置实验、金鸡独立实验、侧步实验和倒立实验。
4.1 零点设置实验
机器人最原始的动作, 也是机器人复位和调零的动作, 机器人双手伸平, 双腿保持站立姿势, 方便对机器人舵机的初始角度进行调零, 以及对后面复杂的动作进行调试, 同时还是各个动作之间的衔接点, 其重心在地面投影一直落在支撑面内, 稳定性较高, 如图11。
机器人保持站立姿势时, 各个舵机的值应该为100, 将这组数据烧录到机器人中后, 机器人的双手和双脚有存在一定程度的弯曲, 在无电机驱动力的情况下此动作稳定性不高, 需对机器人左右脚舵机进行微调, 使其保持标准的站立姿势, 直到达到最理想的姿势。
4.2 金鸡独立实验
机器人模拟人类单脚站立的动作, 前进时先将身体的重心倾向左边, 接着抬起右脚, 然后右脚向后伸展, 身体重心左倾, 伸直两臂, 就完成了金鸡独立动作, 如图12。
机器人抬脚时, 应该将重心偏向一方, 然后抬起另一只脚, 根据这个动作先写出大致的舵机角度, 然后将这组数据烧录到人形机器人中, 发现人形机器人的重心偏移的程度不够, 其重心在地面的投影落在支撑面以内的边缘处, 难以保持平衡, 易发生倾斜导致侧翻。对机器人的稳定性进行微调, 使其能够保持平衡且左脚迈出的距离足够, 经过不断地调试与运行, 稳定完成金鸡独立动作。
4.3 侧步实验
机器人模拟人类横向平移动作, 先将重心右移, 弯曲右膝, 接着抬起左脚向左跨步, 待左脚稳定踏地后弯曲右膝抬起右脚, 实现右脚向左跨步, 如图13。在此过程中, 机器人重心的偏移是造成不稳定的主要原因, 其在重心左右倾的过程中重心在地面的投影有可能在支撑面边缘甚至超出支撑面, 因此不断调试舵机角度将其重心保持在支撑面中心。
4.4 倒立实验
机器人倒立时, 先将身体的重心往下压, 之后伸出双手并慢慢倒下, 将双手收回然后沿水平方向将将双手平举并缓慢抬起双脚, 用双手和头当支点来保持身体平衡, 防止机器人摔倒, 在倒立的同时双脚可以做各种复杂的动作, 如图14。
倒立这个动作是依靠人形机器人的双手和头部来支撑他的平衡, 双脚保持直立朝上, 先模拟出这一组数据, 将这组数据烧录到人形机器人中, 机器人保持平衡, 但是两腿的方向不一致, 并且腿部有点弯曲, 倒立时的支撑面积相对较小, 因此对机器人稳定性要求较高, 对机器人腿部的舵机进行微调来解决这一问题。
6 结束语
本文利用具有17个自由度的智能双足机器人并对其进行舞蹈动作控制及协作研究。通过Robo Basic编译软件对Robonova-2智能双足机器人进行舞蹈的编排, 通过不断地计算ZMP的值以及调试舵机的角度保证其重心在地面的投影落在支撑面以内, 增强舞蹈动作的稳定性与美观度, 并可以伴随音乐节拍实现一定的舞蹈效果, 对机器人娱乐、服务等领域的研究做出了一定贡献。
摘要：利用具有17个自由度的智能双足机器人, 采用智能技术, 通过ARM单片机来控制各个舵机。通过编码调试, 无线传输, 使其达到预定的角度, 由此模拟人类前进、后退、翻滚等的各式各样的动作, 并伴随着音乐节拍, 实现机器人舞蹈效果。通过反复实验调试, 智能双足机器人舞蹈动作控制及稳定性能良好, 完成整段舞蹈的编排, 达到了预期效果, 证明了技术的正确性和可行性。
关键词：智能双足机器人,机器人舞蹈,动作,控制及稳定性,自由度
参考文献
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动作控制 篇7
1 智能家居控制系统研究现状
1.1 试验来源
现存的智能家居控制系统, 从控制方式来看, 主要有无线/ 有线控制, 手机APP控制或语音控制等方法。无线控制主要是用蓝牙, Wifi和Zig Bee等传输数据, 有线控制则是用实际线路传输数据。手机APP控制是把手机作为控制终端, 而语音控制是通过设备识别人的简单语音来确定指令, 从而达到控制目的, 总而言之, 这些智能家居控制系统都离不开辅助控制器, 人机交互自然性还有待提高, 对于家中的老人、小孩或一些残疾人士, 这些家居控制操作就显得不是那么容易、方便了, 对此我们想到是否有一种控制方法简单, 普遍群体易上手, 传输信息准确成本又较合理的智能家居控制系统, 于是便有了本次试验研究。
1.2 加载方案
方案1:采用声音控制, 终端通过检测和识别用户的声音来判断控制什么家居设备, 使用这种方法无需熟悉各种按钮。
方案2:采用时间控制, 在固定的时间控制相应的家居设备, 无需人为干扰。
方案3:采用位置控制, 根据人所在的位置判断是否需要控制相应设备的开关。
方案4:采用动作控制, 无需控制终端, 只要有设备采集判断用户的动作信息, 然后控制相应的设备。
2 研究结果分析
2.1 最终理想解
技术系统改进的一般方向提升理想度的比值, 努力提升其理想度水平。而最终理想解是一种解决技术系统问题的具体方法或者是技术系统最理想化的运行状态。 (表1)
2.2 影响因素分析
对所加载方案, 优势是容易上手, 脱离控制设备, 更能人机交互自然性采用但是声音控制, 容易受噪声干扰, 按时间控制, 及时性又不强, 位置控制, 及时性不强也容易造成误操作, 而动作控制, 有可能会因人而异, 控制精度有待提高, 这就需要综合考虑各种因素, 提出一种可以因时而异, 因地而异的控制方式, 综合优点又能避免不利因素。
2.3 试验元件选取及功能分析 (表2)
3 最终基于Kinect体感识别技术的智能家居控制系统模型形成 (图1)
本试验研究最终采用基于Kinect人体动作辨识技术的智能家居控制系统, 主要包括:Kinect for windows v2.0、电脑、ESP8266 串口无线Wi Fi芯片、STC15W408AS单片机、继电器、插座和云台。Kinect for windows v2.0 的彩色摄像头和深度摄像头采集出现在Kinect for windows v2.0 前面的人体骨骼信息, 共25 个关节点。Kinect for windows v2.0 通过USB3.0数据线把人体骨骼数据传送给电脑, 电脑对Kinect for windows v2.0 传过来的人体骨骼数据进行分析, 通过手势数据库或自定义手势判断控制不同的信息设备的运转状态, 并把人体所作动作呈现在电脑上。电脑连接上ESP8266 串口无线Wi Fi芯片建立的Wi Fi网络并将人体发出的动作和声音要表达的指令通过Wi Fi网络传送给单片机。STC15W408AS单片机接收到PC电脑传过来的数据后, 控制继电器开关, 继电器开关控制插座通断, 从打开家用电器, 如电灯、热水器、充电器、电风扇、电热器等, 也可以通过设定的连续性动作发出的指令传送给单片机来控制信息设备的连续状态, 比如灯的亮弱程度, 窗帘的开合程度等。同时电脑可以设定控制时间, 到时间就可控制相应的信息设备。通过我们建设的WIFI局域网, 继电器开关还可根据Kinect反馈来的人体位置数据信息控制Kinect下的云台旋转, 从而实现360°追踪人体位置。
4 结论
本文对基于Kinect人体识别技术的智能家居控制系统的试验研究进行了分析, 得出以下结论:
4.1 现有智能家居控制系统存在的主要缺点是不能脱离控制终端, 控制单一不能组合化, 且操作控制对老人、小孩和一些残疾群体并不便利。
4.2 目前缺乏一种控制方法简单, 普遍群体易上手, 传输信息准确而成本又较合理的智能家居控制系统。
4.3 本试验用Kinect2.0 设备识别人体动作和声音较为准确, 且可以通过动作组合化, 同时由组合动作控制不同信息家电的开关状态或连续状态。
4.4 Kinect可以识别人体位置, 把人体位置信息传给单片机从而控制水平云台实时追踪人体。
4.5 无线串口Wi Fi模块可以较为精确的把人体动作或声音信息通过电脑传给单片机从而控制相应的信息家电。
综上所述, 可以得出结论:基于Kinect体感识别技术的智能家居控制系统完全可行, 无需控制终端, 以人体直接控制, 更加接近人机交互自然性, 提高了智能家居控制系统的普遍适用性、灵活性和舒适性。
参考文献
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动作控制 篇8
DCS系统具有较高的灵活性和扩展性。具有先进的过程操作画面, 具有各种控制功能、运算功能, 并能实现工艺参数趋向猜测, 历史数据显示和各种报警保护功能。从而实现对工艺生产全过程的集中监视、控制和管理, 随着热控系统监控功能不断增强, 范围迅速扩大, 故障也增大。当热控系统的控制逻辑、测量和执行设备、电缆、电源、热控设备的外部环境, 以及安装、调试、运行、维护, 检修人员的素质等。这中间任一环节出现问题。都会引发热控保护系统的误动或机组跳闸, 影响机组的安全运行。提高热控设备系统运行的安全可靠性对提高经济效益, 电厂多发电、提高机组利用小时数的同时通过减少生产人员的劳动强度, 提高劳动生产率, 使机组的正常安全运行起重要作用。
2 DCS系统各组成负荷率的配置及要求
要使DCS正常运行, 各组成部分必须在它的容量范围, DCS系统配置应能满足机组任何工况下的监控要求, 系统最繁忙时, 过程控制站的CPU负荷率不得超过60%;人机接口站以及服务器的CPU负荷率不得超过40%;内部存储器的占用量不得超过50%;外部存储器的占用率不得超过40%;系统网络通讯总线负荷率不得超过30%, 对于以太网则不得大于20%;要求DCS系统与电气系统共用接地网时, 控制系统接地线与电气接地网只允许有一个连接点且接地电阻应小于0.5欧姆, 保护接地接至电气接地网时接地电阻小于2欧姆。DCS系统采采用双路电源供电, 主、备用电源的切换时间应小于5mS
3 引起DCS控制系统误动的因素
(1) DCS各控制站接收和发出的信号基本上分为两大类:开关量信号 (DI、DO) 和模拟量信号 (AI、AO) 。开关量信号主要包括:现场各控制设备, 如位移、转速、振动、运行反馈、故障、限位、测速 (皮带机还有跑偏和拉绳) 、电磁阀、执行器的限位、力矩、现场各温度开关、压力开关、差压开关、料位开关等;模拟量信号 (4~20mA) 包括:速度、温度、压力、流量、液位、料位、行程、挡板执行器开度、各类秤 (皮带秤、转子秤、料仓) 的称重量等量。某些场合不免会有粉尘、振动、高温等环境因素的影响, 并且现场信号多由各类接触器、中间继电器、测速、各种类型用途的开关、各测量仪器仪表等所产生, 它们长时间在恶劣的工作环境中工作难免出问题:A.由开关量信号引起的误动:供电电源、控制电源;设备启停条件和软、硬连锁条件是否具备;该设备控制柜内元件的触点、接点等接触不良, 逻辑控制回路不完善, 接线松动;现场控制站内的I/O端子接线松动;如是压力、流量或温度开关故障、报警信息、各项参数设置是不正确;现场设备故障导致保护装置动作。位置开关接触不良或某个挡板卡涩不到位。一些压力开关稳定性差等。B.由模拟量信号引起的误动:反应的信号不准确, 如温度的热阻、热偶的插入深度、位置、表面是否结皮、接线是否松动、锈蚀等;压力、流量信号的测量管路堵塞、泄漏、各阀门位置、变送器故障等;如是重量、速度、料位等信号的传感器故障, 接线松动, 设置不正确等;由于这些设备和系统运行在一个强电磁场环境。来自系统内部的异常和外部环境产生的干扰 (接线松动、电导耦合、电磁辐射、接地等) , 都可能引发单点信号保护回路的误动。如温度测量和振动信号受外界因素干扰。变送器故障等, 各类现场仪表不免存在着或大或小的飘移等。
(2) 热控保护和辅机控制逻辑的正确与完善, 是大机组安全运行的基础热控误动有很多原因来自于辅机控制逻辑的不正确或不完善。很多大项目改造使性能曲线等机组运行特性都发生了改变。原DCS控制系统的控制参数、函数曲线等关键的逻辑都已经不再适合改造后机组的正常运行, 必须对原逻辑进行参数整定、函数修改、逻辑优化。
4 降低热工信号系统和热工保护系统的误动作率的办法
(1) 合理使用闭锁条件, 使信号检测回路具有逻辑判断能力中。
(2) 采用多重化的热工信号摄取方法, 可减少检测回路自身的误动作率。
为了综合信号串联后误动作故障率降低和信号并联后拒动作故障率降低的优点, 将两个信号先进行串联, 然后进行并联, 如图所示。单个检测元件的误动作率或拒动作率很小时, 四信号串并联后的信号单元的误动作率、拒动作率均大大减小。
当用作联锁保护的测量信号本身不可靠时。系统的误动概率会大大增加。而热控保护联锁系统中的触发信号采用了不少单点测量信号。热控单点信号保护回路的异动, 很多情况是外部因素诱导下的瞬间误发信号引起。不少故障仅仅是因为某个位置开关接触不良或某个挡板卡涩而造成机组跳闸。为防止单个部件或设备故障和控制逻辑不完善而造成机组跳闸, 对运行中易出现故障的设备、部件和元件。从控制逻辑上进行优化和完善。通过预先设置的逻辑优化来降低或避免控制逻辑的误动作。运行机组应对热控保护连锁信号取样点的可靠性调试确认。对控制系统的硬件、逻辑条件、定值进行可静态、动态试验, 对机组设备安全运行有严重影响的热控保护逻辑进行优化, 例如:a.条件许可的单点信号保护逻辑。改为信号三取二选择逻辑。加入证实信号改为二取二逻辑。b.实施上述措施的同时。对进入保护联锁系统的模拟量信号, 合理设置变化速率保护、延时时间。C, 缩小量程来提高坏值信号剔除作用等故障诊断功能。设置保护联锁信号坏值切除与报警逻辑。如某厂因煤量波动引起风量大幅度波动引起引风机、送风机电流过载, 通过合理设置风机变化速率保护、煤量限幅及煤量指令速率限制后, 取得很好效果。
结语
通过对使控制逻辑优化和完善、信号采取三取二, 二取二等或延时动作、反馈量限幅、变化速率限制、减少信号控制回路误动作, 确保控制回路起到真正的保护作用, 确保机组正常安全稳定经济运行。
摘要：针对电厂热控DCS控制保护回路误动作, 从各方面找原因分析了热控系统监控回路、控制逻辑组态、测量信号本身不可靠、干扰问题、从逻辑方面加以优化限制, 达到了安全可靠的效果。
关键词：误动,逻辑组态,优化
参考文献
动作控制 篇9
关键词：加速度特征,手部动作识别,飞行控制,可拓动作识别
0 引言
国内外动作识别主要是基于视频(图像处理)方面的研究,但却只是从20世纪90年代起加速度传感器的研究才开始受到关注和重视。在基于加速度传感器的人体动作状态方面的研究主要有:Sa-kwang Song、Jaewon Jang、Soojun Park[1]等。这些方法通过在设备中嵌入三维加速度传感器对日常生活中的常见动作进行识别,以达到对其的精准监测,例如跑步、坐下、起立、行走、跌倒、坐立、爬起等动作状态,识别率能达到97.9%-99.3%[2]。
人的手部动作识别可以在许多方面得到应用,例如手部运动功能评估、配合电刺激等控制方式的肢体康复治疗等。手部动作识别也有多种不同的方法,从最早的测角仪、磁传感器、普通摄像技术到后来的超声、EMG、高速摄像技术等。但是这些方法却普遍存在着易受外界环境干扰、易妨碍手指运动习惯性、数据量大和仪器成本高等不足,因而基于图像和视频的动作识别系统也相应地具备了特征采集设备复杂、视角固定和需要采集多视角图像等缺点。加速度传感器在运动控制中具有高效、准确等特点,且具有成本低、数据量小、易于处理分析、不易受环境干扰等优点。
在此,提出一种基于加速度特征的可拓动作识别方法。该方法利用物体向不同方向运动时,其关键部位点的三轴加速度具有一定区分度的特点,结合可拓识别方法,从而实现一种低成本、高精确度、高实时性的手部动作识别方法。该方法可应用于人机交互、游戏智能监控、医疗电子、运动系统控制、机器人控制等多种领域。并据此研发出一套基于手部动作识别的控制系统,能够应用到人机交互、游戏智能操控、医疗电子等不同行业中。而且,将此手部动作识别方法应用到飞行控制系统中,开创得到一种新的人机交互式的飞行控制方式,以提高飞行操控的灵活性。这种动作识别方法基于加速度传感器(三轴加速度传感器和陀螺仪),具有低成本、识别范围广、灵活性高等优点,弥补了目前的基于视频图像[3]、基于EMG(人体表面肌信号)等动作识别方法的不足。
1 设计方案
1.1 系统的组成
本系统将基于视觉导航和红外避障的信号源跟踪四旋翼飞行器作为飞行器控制试验系统,为四旋翼飞行器提供一种全新的、更灵活的操控手段。系统由主机系统和从机系统两部分组成。主机系统主要由数据采集模块、数据分析识别模块和无线数据收发模块组成。其组成架构如图1所示。
数据采集模块获取手部特征点在X、Y、Z三轴方向的加速度和X轴与Z轴上的角加速度,两者之间的关系如图2所示。采集到的数据由控制处理中心进行分析,并通过卡尔曼算法[4]识别出手部的动作,据此结果,再由主机无线模块发射控制信号。
在从机系统中,四旋翼飞行器端的无线模块接收到控制信号后,进行相应的飞行动作,如图3所示。
1.2 硬件设计方案
系统以单片机C8051F202和三轴加速度传感器为核心,由单片机控制三轴加速度传感器采集手部特征点在X、Y和Z轴上的加速度,经过可拓算法处理及识别后,判断手部姿态及动作,最终通过2401无线数传模块和功率放大器向从机发送命令,硬件控制方案如图4所示。
为尽量节约占用空间,系统采用微型锂电池供电,并由低压差的电源管理芯片CE3052进行电压转换。
2 软件设计方案
2.1 传感器信息的采集
在采用MMA7361采集三轴加速度传感器得到测试手在X、Y和Z轴上的瞬时加速度时,获得的加速度噪声很大,容易受干扰,不可直接使用。因此,需要利用陀螺仪进行滤波。通过两个ENC-03采集测试手在X0Z平面上、Y0Z平面上的角加速度。以上采集均采用均值队列滤波,即以先进先出的方式采样20组值,并对这20组数据求取平均值。
2.2 传感器信息的处理和角度算法
若要从陀螺仪角速度获得角度信息,就需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移,再经过积分运算之后,就会变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长而逐步增加,最终导致电路饱和,无法形成正确的角度信号。
通过大量的实验,得到了如下方法:通过上面的加速度传感器获得的角度信息并对此进行校正。具体来说,就是通过比照积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度,利用二者之间的偏差值来改变陀螺仪的输出,从而使积分的角度逐步跟踪至加速度传感器所得到的角度,最终使得偏差为零。该过程的原理示意如图5所示。
由图5可以见到,在所述方案中,利用加速度计所获得的角度信息gθ与陀螺仪积分后的角度θ进行比较,将比较的误差信号经过比例环节1/Tg放大之后,并与陀螺仪输出的角速度信号叠加,再进行积分处理,得到最终结果θ值。由原理分析可知,对于加速度计给定的角度gθ,经过比例、积分环节之后产生的角度θ与gθ必然达到无差。
2.3 动态参数的整定
参数整定是整个动作识别系统最为关键的一部分,耗时最长。为此,专门开发了一个调试软件进行调试。该软件可以实时改变动态参数,并监测系统状态,从而验证是否可达到理想效果,如图6所示。
首先是测定识别系统的静态参数,即将手放平,记录各传感器的输出值,然后,逐步配置动态参数。以调整陀螺仪比例因子为例,如图7所示,上面的波形是Z轴输出信号,下面的波形是陀螺仪积分信号,调整目标是使陀螺仪积分信号能很好地跟踪Z轴输出信号。通过观察角度跟随曲线是否过陡或过缓,即可直接判断陀螺仪比例参数的大小。经过几次试验,便可以调试确定陀螺仪的比例参数。最终就可以看到当参数选取正确时,角度输出的跟踪效果非常好。
2.4 检验对从机系统的控制
由于另一组的四轴飞行器还未完成,在此只能先通过编写PC上位机模拟飞行器的被控效果。如图8所示,通过手部动作识别系统可以控制蝴蝶的飞行路径。测试表明,能够精确地分析得到手部的姿态,并可通过蓝牙将分析结果无线传输给已经编写完成的飞行器模拟软件,从而实现利用手部手动来控制模拟飞行器的飞行过程。
3 结束语
目前动作识别的方法多数采用图像处理,存在易受环境干扰、设备复杂且成本高、数据量大也难以处理等缺点,本系统尝试利用三轴加速度传感器和陀螺仪,采用基于加速度特征的识别方法,实现了对手部动作的成功识别。最后又利用本识别系统控制模拟飞行器的飞行轨迹,验证了该方法的可行性。当然,本项研究还有较大的改进空间,其一是创建动作识别库来识别特定动作,其二是缩小电路板的尺寸以方便佩戴在手上,其三是目前需要定时更新参数,还可进一步加入自动更新功能。
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