關鍵詞：冰壺機器人；Sysmac；運動控制；3D仿真
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一步發(fā)展提供了良好的契機[1]。但是，還存在群眾認知度低、后備人才短缺、基礎建設落后等問題，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、社會認知度低、科學研究缺乏等問題，設計了一種基于Sysmac控制平臺的冰壺機器人，首先對冰壺機器人進行了動力學分析，初步研究了冰壺機器人控制程序及算法策略，最后進行了算法仿真調(diào)試，為進一步實現(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近來計算分數(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行對戰(zhàn)。如果要控制機械手運動，需要分析其運動學正解、反解。
1.2冰壺碰撞分析
冰壺擊打時兩球之間、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%2Cy)速度為V，質(zhì)量為m1，球222O(x%2Cy)速度為U，質(zhì)量為m2，半徑均為r。在t時刻兩球碰撞，設兩球球心連線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%27，球O2速度為%27U。
2Sysmac控制平臺設計%0D%0A%0D%0A2.1Sysmac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計平臺，具有高速度、高精度和高可靠性等特點[4]。該平臺關注于自動化設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EtherNet%2FIP。
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，分別進行基本參數(shù)設置、單位換算設置、軸操作設置等，最后將它們配置成的一個軸組MC_Group000。
2.3FB模塊設計
Sysmac平臺使用一個Sysmac+studio軟件即可對整個機械系統(tǒng)進行一體化編程，該軟件基于國際IEC61131-3標準，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、易讀易維護化，由于冰壺機器人需要輸入的參數(shù)比較多，設計了如圖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)境等進行設置，同時輸出目標位置和初速度等關鍵信息。
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)和設備運動的軌跡。如圖7在“數(shù)據(jù)跟蹤設置--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所示即可進行跟蹤類型、采樣間隔、后觸發(fā)速度比率、觸發(fā)條件等設置，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冰壺機器人程序設計及調(diào)試
3.1運動控制程序設計
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，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，通過輸入相關坐標信息來仿真實際環(huán)境，驗證擊球算法。這里假設本方球最多有四個，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)分數(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離靶心，本方球取代其位置，亦可取得領先。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參數(shù)進行測試，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為[108%2C360]，對方球坐標為[-155%2C480]，發(fā)球位置為[180%2C0]，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。
4總結(jié)
本文分析了冰壺機器人運動學正解、反解以及碰撞的物理特性，建立了相關模型，基于先進的綜合性Sysmac平臺，利用Sysmac+studio設計了運動控制模塊，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。
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