基于Beckhoff的瓷磚鋪貼機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

杜亞男， 周惠興，2，3*， 劉天宇， 張俊杰

(1.北京建筑大學(xué)機電學(xué)院，北京 100044； 2.建筑機器人與智能設(shè)備智能實驗室，北京 100044；3.北京市建筑安全監(jiān)測工控技術(shù)研究中心，北京 100044；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100094)

自瓷磚出現(xiàn)以來，瓷磚鋪貼工作一直伴隨著人類生活。整個瓷磚鋪貼過程由手工完成，包括處理基線、彈線、預(yù)鋪、鋪貼、勾縫等，最后清理鋪貼環(huán)境。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，瓷磚鋪貼的人工成本不斷提高，而人工鋪貼效率卻未實現(xiàn)普遍提高，這促使瓷磚鋪貼工藝向機械化、自動化轉(zhuǎn)換。

近年來，機器人技術(shù)已逐漸成為自動化技術(shù)發(fā)展的主要力量，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，瓷磚鋪貼工藝向機器人技術(shù)轉(zhuǎn)換，將成為建筑業(yè)與自動化技術(shù)結(jié)合的未來趨勢，以及建筑業(yè)發(fā)展的方向。中國是瓷磚生產(chǎn)大國，每年瓷磚產(chǎn)量超過100×108m2[1]，每年皆由人工鋪設(shè)完成，耗費了大量的人力資源與時間成本。對人工鋪貼而言，感官檢測與瓷磚鋪貼放置階段是重復(fù)性極高的單調(diào)任務(wù)，且精度水平不穩(wěn)定，采用具有自主移動性的智能瓷磚鋪貼機器人是解決上述問題的有效途徑之一[2-3]。瓷磚鋪貼機器人旨在幫助工作人員完成瓷磚平鋪任務(wù)[4-5]。在復(fù)雜建筑環(huán)境下要完成此任務(wù)，必須實現(xiàn)高精度激光感測與數(shù)據(jù)分析，同時為實現(xiàn)多種類瓷磚鋪貼，構(gòu)建一個靈活可靠的高精度機器人控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

現(xiàn)通過介紹瓷磚鋪貼機器人實現(xiàn)瓷磚鋪貼的基本思路、控制系統(tǒng)各模塊組成，對各個控制模塊優(yōu)點進行總結(jié)，說明倍?？刂萍夹g(shù)實現(xiàn)瓷磚鋪貼機器人的控制原理。

1 瓷磚鋪貼控制系統(tǒng)總體設(shè)計

利用自動化設(shè)備實現(xiàn)瓷磚鋪貼，即人工手動鋪貼部分將由控制系統(tǒng)控制下的自動化設(shè)備完成，將工人感官測量轉(zhuǎn)化為瓷磚定位系統(tǒng)檢測過程。由于瓷磚鋪貼環(huán)境復(fù)雜，而人工鋪貼具有效率低、精度差等缺點，需要對機器人控制系統(tǒng)及瓷磚定位系統(tǒng)進行針對性設(shè)計。機器人系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

根據(jù)建筑機器人實際應(yīng)用的建筑環(huán)境、高精度要求和運動控制的復(fù)雜程度，采用倍福嵌入式控制器自帶DVI/USB通訊接口，工業(yè)PC機通過EtherCAT與控制器連接。整個控制系統(tǒng)采用EtherCAT實現(xiàn)通訊，與其他字段總線相比，EtherCAT在100 Mbit/s以太網(wǎng)上傳輸125字節(jié)方面具有明顯的優(yōu)勢[6]，加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提高系統(tǒng)通訊效率，保障系統(tǒng)通訊穩(wěn)定。機器人、激光控制器、SMC及移動平臺設(shè)備與主控制器通過總線端子模塊實現(xiàn)硬線連接，不同設(shè)備間信號傳輸可通過實際要求裝配不同模塊，使得控制過程更加簡便。倍福控制系統(tǒng)面對不同的應(yīng)用程序可在相同的硬件上實現(xiàn)，降低了開發(fā)的難度，提升了使用的靈活性。

圖1 瓷磚鋪貼機器人系統(tǒng)整體框圖

倍?？刂葡到y(tǒng)能夠有效集中激光傳感器和移動平臺的數(shù)據(jù)測量、采集和傳輸，并下發(fā)指令。通過倍福(Beckhoff)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的高速通訊，實現(xiàn)硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)之間高效率數(shù)據(jù)傳輸，進一步應(yīng)用機器人代替人工進行分析和計算，同時監(jiān)視各硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，保證各從站設(shè)備有序工作。

1.1 嵌入式控制器模塊

控制系統(tǒng)采用基于Beckhoff的嵌入式控制器、控制系統(tǒng)組件模塊和TwinCAT自動化軟件實現(xiàn)控制過程。以嵌入式PC作為硬件平臺，TwinCAT作為軟件平臺，使用安全的I/O(input/output)端子模塊通過安全通信協(xié)議連接，保證了系統(tǒng)的安全運行?；诠I(yè)PC的控制技術(shù)為傳統(tǒng)的控制任務(wù)提供了良好的可升級性和靈活性，因此基于PC的控制技術(shù)也逐漸代替了硬件PLC(programmable logic controller)和類似產(chǎn)品，并在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用[7]。

針對瓷磚鋪貼過程，倍福控制系統(tǒng)主要針對各個硬件系統(tǒng)的運行動作、運行速度，即線速度及角速度實現(xiàn)高精度控制，還包括激光傳感器檢測信號的實時接受與處理、氣閥的開關(guān)閉合、移動平臺的運動方向參數(shù)控制。倍福嵌入式控制器結(jié)構(gòu)緊湊，運算能力強，與各種I/O模塊整合構(gòu)成機器人控制系統(tǒng)。如圖2所示，嵌入式控制器上安裝有不同通訊接口，可實現(xiàn)超高速回路，降低延時，實現(xiàn)高性能控制。

圖2 Beckhoff嵌入式控制器

根據(jù)各硬件數(shù)據(jù)傳輸及通訊特點，裝配不同通訊模塊。激光檢測與控制器控制命令為數(shù)字量信號，對應(yīng)控制系統(tǒng)中的數(shù)字量輸入輸出模塊；控制器與機器人利用DeviceNet模塊實現(xiàn)高速通訊，對應(yīng)控制系統(tǒng)的DeviceNet模塊；移動平臺與控制器通過RS232模塊實現(xiàn)命令接受與反饋。因為端口連接數(shù)量有限，只需選擇需要的信號連接希望的端子，控制器與裝配端子可得到有效利用，提升端子利用率。

輸入輸出模塊中為防止短路，每個通道還具有短路保護措施。為降低數(shù)據(jù)傳輸錯誤率，倍福數(shù)字量輸入輸出對應(yīng)不同模塊，直接與控制器相連，控制方便，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出無觸點控制，適合數(shù)據(jù)交換量大、對實時性要求較高的控制系統(tǒng)。瓷磚與機器人的相對位置信息需通過大量點、線、面的空間位置與空間表達式計算得出，數(shù)據(jù)運算量大，故采用倍福控制系統(tǒng)的輸入輸出模塊，可更快、更精準地實現(xiàn)PC與傳感器之間的數(shù)據(jù)交換。

1.2 移動平臺控制模塊

實際建筑行業(yè)中，瓷磚通常需要大面積鋪貼，機器人動作范圍有限，因此需要借助移動平臺擴大機器人工作范圍。為降低機器人瓷磚鋪貼工作對空間的要求，移動平臺采用全向輪裝置，可以通過控制每個車輪的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)各種轉(zhuǎn)向模式，無轉(zhuǎn)彎半徑，提高機器人室內(nèi)鋪貼瓷磚的靈活性，縮小機器人的調(diào)節(jié)空間。移動平臺采用RS232接口實現(xiàn)與外接設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，因此倍?？刂葡到y(tǒng)采用RS232串口端子模塊與移動平臺通訊，將帶RS232接口的移動平臺連接到控制層。

PC機與設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的RS232串口，其作為重要的信息傳遞樞紐，能有效完成數(shù)據(jù)和指令傳輸[8]。這種主動的通訊通道不受上位EtherCAT系統(tǒng)周期的影響，并在全雙工模式下工作，可使用任何所需數(shù)量的串口，無需考慮控制移動平臺的結(jié)構(gòu)限制。安裝時可靠近使用的地方，縮短電纜長度，充分利用移動平臺上方空間，提高空間占有率。

1.3 機器人控制模塊

機器人為控制系統(tǒng)從站，整個過程中機器人動作為閉環(huán)控制，需要對其動作進行實時檢測，故采用DeviceNet實現(xiàn)主-從站信號接收反饋。 DeviceNet支持主/從、生產(chǎn)者/消費者等通訊結(jié)構(gòu)，以基于數(shù)據(jù)塊的編碼方式，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳遞方式，可實現(xiàn)不同廠商的同類設(shè)備信息互換，更重要的是給系統(tǒng)帶來設(shè)備級的診斷功能[9]。

將DeviceNet機板安裝在機器人控制柜中，連接通過EtherCAT實現(xiàn)，無需占用PC中的插槽，節(jié)省安裝空間，可獨立控制。同時使得EtherCAT端子模塊系統(tǒng)中能夠集成任意數(shù)量的CANopen設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的開放性和靈活性。

機器人控制模塊端部還裝配有結(jié)束端子，防止通訊模塊短路故障，保障總線耦合器與通訊模塊的實時數(shù)據(jù)傳輸。

2 瓷磚檢測方法

瓷磚定位檢測與放置是整個控制環(huán)節(jié)的重要組成部分。由于瓷磚位置的不確定性、瓷磚庫內(nèi)瓷磚擺放的隨機性和移動平臺的移動，會產(chǎn)生誤差和穩(wěn)定性等問題，因此需要加入瓷磚空間定位，使系統(tǒng)精確計算瓷磚的空間位置，從而確定下一塊瓷磚的待鋪位置。瓷磚檢測與放置未采用純視覺來伺服安裝，而是利用實現(xiàn)條件低，原理簡單，運算量小的點激光實現(xiàn)瓷磚空間定位與偏移測量。

機器人工作環(huán)境為三維空間，因此采用標準空間正交坐標系作為瓷磚空間位置表征環(huán)境，建立基于機器人與瓷磚的空間坐標系，如圖3所示。

圖3 機器人坐標系建立

對研究的瓷磚鋪貼過程中，需要對兩種姿態(tài)下的瓷磚分別進行檢測：一是機械手放置瓷磚時的定位，對已鋪完的瓷磚進行精準定位，結(jié)合瓷磚縫隙確定瓷磚放置坐標；二是機械手抓取瓷磚時的定位，對從瓷磚庫中抓取的任意擺放的瓷磚進行定位，結(jié)合計算出的瓷磚待鋪位置，計算已抓取瓷磚的初始偏移量。

對已鋪好瓷磚進行定位時，已知激光點A0(X0，Y0，Z0)，機器人激光掃描A1、A2、A3、A4四個點，記錄4個點的位置坐標。平面2則為已鋪好瓷磚上表面所在的平面，根據(jù)幾何平面方程，可得瓷磚上表面的空間表達式。激光檢測如圖4所示。

激光檢測A1、A2、A3、A4四點坐標，根據(jù)幾何原理可得A5點的坐標，因此便可得到瓷磚上表面的空間位置。

圖4中A0為激光傳感器的激光點，A1、A2、A3、A4為已鋪好瓷磚相鄰兩邊上的4個點。A5為已鋪好瓷磚外側(cè)相鄰兩邊即A1、A2所在邊與A3、A4所在邊的交點，O為瓷磚瓷磚上方與外側(cè)兩條邊的交點同時也為坐標系原點，A6、A7分別為瓷磚O、A5的對角。

抓取瓷磚時，瓷磚空間位置測量，需建立瓷磚空間坐標系，如圖5所示。

圖4 激光檢測瓷磚示意圖

圖5 瓷磚空間坐標系

同樣激光檢測4個基準點，記錄4個點的位置坐標。O(作為瓷磚邊沿的交點)、A6、A7可由同樣幾何方法得到，測得4個角的傾斜、間隙、位移以表征4個交叉點，算法分析4個不同的瓷磚角即可得每塊瓷磚角落的位置和方向，選取外部兩個角落標記為下一塊瓷磚鋪貼的參考位置。待鋪瓷磚檢測如圖6所示。待鋪貼瓷磚與已鋪貼瓷磚位置坐標差為機器人需移動位移與旋轉(zhuǎn)角度。待鋪瓷磚位置確定如圖7所示。

圖6 已抓取瓷磚定位

圖7 瓷磚放置位置示意圖

3 TwinCAT運行環(huán)境

對已鋪好瓷磚進行定位時，已知激光點A0(X0，Y0，Z0)，機器人激光掃描A1、A2、A3、A4四個點，記錄4個點的位置坐標。平面2則為已鋪好瓷磚上表面所在的平面，根據(jù)幾何平面方程，可得瓷磚上表面的空間表達式。激光檢測如圖4所示。

根據(jù)系統(tǒng)方案和硬件要求，采用倍福自動化軟件TwinCAT3，通過ST語言對軟件運行環(huán)境進行程序設(shè)計。基于Windows的控制自動化技術(shù)(the windows control and automation technology，TwinCAT)[10]是整個控制過程的關(guān)鍵部分?？蓪LC、PID(proportion integration differentitation)、I/O、CNC(computer numerical control)軸位控制及用戶需要完成的特殊任務(wù)進行多任務(wù)的時間安排，并且在一臺PC機上可同時進行多個邏輯PLC，每個任務(wù)獨立運行，互不干擾[11]，是一種軟PLC。它能將任何兼容PC改造為實時控制器?；诖斯δ埽瑢winCAT自動化軟件與嵌入式PC作為系統(tǒng)的控制核心，運用倍福自主開發(fā)完善、高效、成熟的功能庫，通過對動平臺設(shè)備、激光傳感器、機器人設(shè)備和I/O輸入、輸出設(shè)備等的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)建筑機器人實時運動控制。TwinCAT3軟件系統(tǒng)用于編輯程序算法和程序配置，由程序執(zhí)行系統(tǒng)和實施環(huán)境組成?？刂瞥绦?qū)懞煤?，連接PC機與控制器，在I/O配置中的Device中進行設(shè)備掃描，選擇EtherCAT，所有與控制器相連的通訊模塊被軟件識別，在Device中添加DeviceNet機板，在控制器模塊中設(shè)置與機器人匹配的參數(shù)，在DeviceNet Instance中與機器人的輸入輸出接口鏈接，在PLC中的Plc Task Inputs/Outputs與SMC和移動平臺接口鏈接，在TwinCAT下激活配置便可實現(xiàn)各個硬件的協(xié)同控制。TwinCAT系統(tǒng)程序運行后便可得到激光激光測量曲線，如圖8所示。

圖8 TwinCAT運行環(huán)境

4 瓷磚鋪貼試驗及結(jié)果

4.1 激光檢測過程

定位和激光檢測的精度與反饋是瓷磚鋪貼過程的關(guān)鍵組成部分。瓷磚檢測與位置放置通過激光感測實現(xiàn)，激光檢測數(shù)據(jù)用于瓷磚位置定位與初始位置偏移計算。在瓷磚鋪貼期間，瓷磚邊緣化并且通過對接縫隙彼此相鄰放置時，將采用激光容差和容差反饋方法的組合。

激光對瓷磚進行檢測時，根據(jù)瓷磚邊沿與瓷磚縫隙的容差值感測中斷信號，對瓷磚外邊緣進行精確定位。激光容差值調(diào)節(jié)是一個簡單而復(fù)雜的過程，需經(jīng)過多次調(diào)節(jié)實驗，使得激光檢測點投射至瓷磚邊沿位置，測得激光最佳掃描位置，從而得到最優(yōu)容差值。激光傳感器投射的激光束是一條有直徑的光線，激光束直徑最小時傳感器測得精度最高(圖9)。

根據(jù)激光檢測方法，確定瓷磚位置所需檢測的基準點，并對點的坐標進行記錄與運算。為提高激光檢測效率，對機器人檢測路徑進行優(yōu)化設(shè)計，在準確測量基準點的基礎(chǔ)上減少機器人移動里程與時間。機器人按照固定的軌跡依次測得A1、A2、A3、A4四個基準點的位置坐標，瓷磚檢測點實驗檢測如圖10所示。

圖9 瓷磚邊沿檢測

圖10 瓷磚測量示意圖

利用激光容差值確定瓷磚邊沿，通過對瓷磚邊沿上A1、A2、A3、A4四個點的位置檢測與計算，得到瓷磚中點與機器人的相對位置坐標，從而確定下一塊瓷磚的位置坐標，將機器人從一個瓷磚位置移動到下一個瓷磚位置。

4.2 瓷磚空間定位檢測結(jié)果

機器人末端按照特定的軌跡掃描空間定位所需檢測的基準點的位置，經(jīng)過控制器的坐標運算得到機器人已鋪貼瓷磚位置，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到下一塊瓷磚應(yīng)鋪貼位置。由PC機控制機器人將瓷磚鋪貼到計算坐標位置，鋪貼完成后，測量平面內(nèi)瓷磚的偏移程度，判斷此控制系統(tǒng)對機器人規(guī)定動作的完成程度。評價瓷磚鋪貼機器人技術(shù)的關(guān)鍵是瓷磚放置質(zhì)量，瓷磚彼此間的縫隙與地面的平整度。瓷磚鋪貼如圖11所示。圖11中Rx、Ry、Rz分別為瓷磚繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

瓷磚鋪貼實驗結(jié)構(gòu)由理論值與實際值進行分析比較。為保證實驗結(jié)果，第一塊瓷磚的位置坐標由激光傳感器檢測得出，作為待鋪瓷磚的基準磚(圖12)。由基準磚延伸出的剩余8塊瓷磚的理想位置坐標如表1所示。

圖11 瓷磚鋪貼示意圖

圖12 瓷磚鋪貼實驗效果

表1 功率瓷磚中點位置坐標

通過實際鋪磚實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)實驗性能達到了預(yù)期指標，瓷磚間的縫隙達到預(yù)期要求的5 mm，且平面鋪貼誤差小于0.5 mm，誤差主要來源于瓷磚的加工誤差、激光檢測誤差、環(huán)境因素、移動平臺移動誤差以及硬件的系統(tǒng)誤差的存在。

5 結(jié)果分析

表2所示數(shù)據(jù)為隨機實驗檢測瓷磚坐標值，表3所示瓷磚X、Y、Z、Rx、Ry、Rz坐標值實驗誤差。

通過實際鋪磚實驗結(jié)果可見，系統(tǒng)實驗性能達到了預(yù)期指標，可完全代替人工操作。實驗結(jié)果表明，出現(xiàn)實驗誤差的主要原因為環(huán)境造成的激光檢測誤差、移動平臺移動誤差以及硬件的系統(tǒng)誤差的存在。由表3可知，瓷磚空間旋轉(zhuǎn)角度誤差較小，X-Y平面誤差想對較大，X-Y平面誤差主要來源于硬件系統(tǒng)的平面運動、點激光定位檢測。

表2 瓷磚中點實際位置

表3 瓷磚空間坐標誤差值

6 結(jié)論

(1)設(shè)計一種以倍福(Beckhoff)控制系統(tǒng)為核心、以EtherCAT和DeviceNet為通訊基礎(chǔ)，結(jié)合激光傳感器檢測系統(tǒng)的瓷磚鋪貼機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過激光掃描對已鋪好的基準磚和抓取的瓷磚庫內(nèi)任意擺放的待鋪瓷磚進行空間定位，保證每塊瓷磚精確地空間位置，實現(xiàn)待鋪瓷磚與基準磚的相對空間位置計算。

(2)開發(fā)點激光瓷磚定位方法，并通過控制系統(tǒng)實時控制機器人運動，保證機器人運動的正確率和精準率。通過理論分析和實驗驗證，該瓷磚鋪貼控制系統(tǒng)配合點激光定位方法，能夠達到良好的鋪貼效果，在實際建筑生產(chǎn)活動中具有廣闊的市場發(fā)展前景。