基于PLC的仿生機器人助力控制系統(tǒng)設(shè)計

李淑女

（廣州市增城區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州511300）

0 引 言

隨著機器人工業(yè)的快速發(fā)展，機器人的自動控制性能越來越好，仿生機器人作為機器人的重要分支，在模仿生物進(jìn)行行為控制和工業(yè)作業(yè)中發(fā)揮重要作用。仿生機器人的助力轉(zhuǎn)動控制是保障機器人穩(wěn)定作業(yè)的關(guān)鍵。設(shè)計仿生機器人助力控制系統(tǒng)，提高機器人助力控制過程自適應(yīng)匹配能力和集成控制能力即已成為當(dāng)下學(xué)界的熱門研究方向［1］。研究仿生機器人助力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法，在促進(jìn)機器人科技含量的產(chǎn)業(yè)升級，發(fā)展集成智能化的機器人方面具有重要意義。本文提出基于PLC邏輯可編程芯片的仿生機器人助力控制系統(tǒng)設(shè)計方案，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析和功能模塊分析，然后進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，最后進(jìn)行實驗測試分析，展示了本文方法在提高仿生機器人助力控制智能性方面的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架和功能器件組成

1.1 仿生機器人助力控制系統(tǒng)總體設(shè)計分析

本文設(shè)計的仿生機器人助力控制系統(tǒng)主要包括硬件模塊化設(shè)計和軟件功能設(shè)計兩大部分，對仿生機器人助力控制系統(tǒng)的自動控制算法采用模糊PID控制方法，在已有的控制算法基礎(chǔ)上［2］，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件開發(fā)設(shè)計，采用多傳感器采樣技術(shù)進(jìn)行機器人的速度、助力力矩、距離、轉(zhuǎn)向等參數(shù)采集，傳感器采用磁力計、激光測距儀等，采用PLC邏輯可編程芯片設(shè)計中央處理器模塊進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的智能信息處理和集成信息分析［3］，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括AD采樣模塊、助力傳感調(diào)節(jié)模塊、PLC邏輯控制及控制指令處理模塊、時鐘中斷模塊、上位機通信模塊和人機交互模塊等［4］，設(shè)計微處理器進(jìn)行自動變速信息處理，根據(jù)上述分析，得到本文設(shè)計的仿生機器人助力控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架Fig.1 Overall design framework of the system

1.2 系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)和功能結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)圖1所示的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架，結(jié)合仿生機器人助力控制系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，分析本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)為信號處理芯片的選擇，采用ADI公司ADSP21160處理器作為仿生機器人助力控制的數(shù)字處理芯片［5］，機器人的姿態(tài)參量采集的最低采樣率為12 MHz，輸出功率損耗低于24 KW，仿生機器人助力控制的并聯(lián)調(diào)諧匹配誤差低于0.14 rad／s?？刂葡到y(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Functional structure of the system

2 系統(tǒng)的硬件開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

采用ADSP21160處理器系統(tǒng)作為核心處理芯片，在PLC邏輯可編程芯片控制下進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)外圍執(zhí)行器開發(fā)，結(jié)合51單片機和PLC邏輯可編程芯片進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的控制指令傳輸控制，采用FLASH等器件進(jìn)行中斷復(fù)位控制，對仿生機器人助力控制系統(tǒng)的模塊設(shè)計采用AD模塊、智能信息處理模塊、集成控制模塊組合設(shè)計方法。構(gòu)建自動控制系統(tǒng)的上位機通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制和人機交互設(shè)計，以PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心單元，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的硬件模塊化開發(fā)，對AD采樣模塊、助力傳感調(diào)節(jié)模塊、PLC邏輯控制及控制指令處理模塊、時鐘中斷模塊、上位機通信模塊和人機交互模塊等各個功能模塊設(shè)計描述如下。

2.1 AD 采樣模塊

AD模塊采用DS18B20作為外圍器，采用32位嵌入式采樣技術(shù)進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的傳感信息采集，采用D／A轉(zhuǎn)換器輸出仿生機器人助力控制系統(tǒng)性能測試信息，在物理鏈路層中負(fù)責(zé)提供PCI總線接口，通過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行人機交互和數(shù)模轉(zhuǎn)換［6］。通過LCDDMA、LPC3600進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的中央控制，得到AD模塊設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 AD模塊設(shè)計Fig.3 AD module design

2.2 助力傳感調(diào)節(jié)模塊

助力傳感調(diào)節(jié)模塊采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行主機模塊調(diào)節(jié)，根據(jù)DSP控制芯片進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息采集和自適應(yīng)控制，采用16位的196.608KSa／Sec／Chan 數(shù)字化儀 HP E1433A 進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的助力傳感調(diào)節(jié)，采用TMS320VC5509A作為DSP智能信息處理終端芯片［7］，通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級的六線同步串口實現(xiàn)仿生機器人助力控制系統(tǒng)的智能信息處理，助力傳感調(diào)節(jié)模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 助力傳感調(diào)節(jié)模塊的電路設(shè)計Fig.4 Circuit design of the power sensor regulation module

2.3 PLC邏輯控制及控制指令處理模塊

PLC邏輯控制及控制指令處理模塊是整個仿生機器人助力控制系統(tǒng)的信息處理的核心，采用PLC邏輯可編程芯片進(jìn)行總線設(shè)計［8］，通過DSP發(fā)送仿生機器人助力控制系統(tǒng)控制指令，在執(zhí)行器中進(jìn)行控制指令收發(fā)和離散信息處理，采用VIX總線處理技術(shù)進(jìn)行機器人的助力控制信號處理，采用AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行助力轉(zhuǎn)向和機器人穩(wěn)定性的自動調(diào)節(jié)控制，得到PLC邏輯控制及控制指令處理模塊的接口電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 PLC邏輯控制及控制指令處理模塊的接口電路設(shè)計Fig.5 Interface circuit design of PLC logic control and control instruction processing module

2.4 上位機通信模塊和人機交互模塊

上位機通信模塊實現(xiàn)對仿生機器人助力控制系統(tǒng)的中斷復(fù)位和遠(yuǎn)程通信，采用PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心單元，進(jìn)行輸出控制，設(shè)計仿生機器人助力控制系統(tǒng)的輸出接口，采用DSP配置IO口，進(jìn)行人機交互設(shè)計，將機器人的助力控制指令通過PCI總線傳至PC機，并在輸出的SPI接口與主機進(jìn)行遠(yuǎn)程通信［9］，進(jìn)行控制指令的時鐘采樣，采用驅(qū)動程序電路進(jìn)行機器人控制系統(tǒng)的時鐘振蕩控制，為了提高輸出控制信號集成處理能力，采用A／D芯片進(jìn)行控制指令的異步采樣，在控制指令的輸出單元設(shè)計時鐘電路和輸出接口電路，得到上位機通信模塊和人機交互模塊的集成電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 上位機通信模塊和人機交互模塊的集成電路設(shè)計Fig.6 Integrated circuit design of PC communication module and man-machine interaction module

根據(jù)上述對控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，在中央控制單元進(jìn)行整個控制系統(tǒng)的集成設(shè)計［10］。以PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心單元，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境采用PLC實現(xiàn)對機器人助力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試分析

為了測試本文設(shè)計的仿生機器人助力控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真實驗分析，實驗中控制算法采用Matlab設(shè)計，硬件測試建立在Simulink仿真平臺基礎(chǔ)上，在Visual DSP++環(huán)境下進(jìn)行硬件調(diào)試。對仿生機器人的助力力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)采集采用12路隔離和16路差分AD采樣方法，系統(tǒng)采用2個14位模擬輸入通道進(jìn)行控制指令輸入，控制指令通過AC、DC耦合，最大可組合成4通道，機器人的助力轉(zhuǎn)向控制的初始力學(xué)參數(shù)為： X ＝ ［0.12 0.25 0.15 0.45］T， 根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行機器人的控制測試，得到控制輸出誤差曲線如圖7所示。

圖7 控制誤差曲線Fig.7 Control error curve

分析圖7得知，采用本文方法進(jìn)行機器人的助力控制，誤差較小，經(jīng)過100次測試，得到機器人控制的助力誤差收斂到0.002 1，滿足設(shè)計需求，有效實現(xiàn)了對機器人的助力控制優(yōu)化。

4 結(jié)束語

設(shè)計仿生機器人助力控制系統(tǒng)，提高機器人助力控制過程自適應(yīng)匹配能力和集成控制能力。本文提出基于PLC邏輯可編程芯片的仿生機器人助力控制系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括AD采樣模塊、助力傳感調(diào)節(jié)模塊、PLC邏輯控制及控制指令處理模塊、時鐘中斷模塊、上位機通信模塊和人機交互模塊等，以PLC邏輯可編程芯片作為核心控制芯片進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的多線程控制，采用VIX總線處理技術(shù)進(jìn)行機器人的助力控制信號處理，構(gòu)建自動控制系統(tǒng)的上位機通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制和人機交互設(shè)計，以PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心單元，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進(jìn)行仿生機器人助力控制系統(tǒng)的硬件模塊化開發(fā)。研究得知，采用該系統(tǒng)進(jìn)行機器人的助力控制的自動控制性能較好，機器人助力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性較高，自適應(yīng)能力較強，設(shè)計系統(tǒng)在機器人控制中具有很好的應(yīng)用價值。