冶金企業(yè)工業(yè)機(jī)器人高精度自動(dòng)避障技術(shù)設(shè)計(jì)

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

隨著微電子技術(shù)，信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)科學(xué)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用變得越來越成熟，制造業(yè)開始使用工業(yè)機(jī)器人代替大量的人工生產(chǎn)。在實(shí)質(zhì)冶金工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，是指由若干個(gè)避障系統(tǒng)原件組合，用于控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行，機(jī)器人高精度自動(dòng)化避障系統(tǒng)需要具備自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)、測(cè)量、保護(hù)等功能。隨著冶金企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制需求也逐漸提高，需要對(duì)冶金企業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行全線跟蹤，并能針對(duì)不合理的生產(chǎn)程序及時(shí)調(diào)整和控制，然而目前還有一些的機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)、停運(yùn)現(xiàn)象，魯棒值較低，致使其具有較低的可靠性，已經(jīng)無法滿足冶金企業(yè)的工業(yè)化需求，為此提出冶金工業(yè)機(jī)器人高精度避障系統(tǒng)的可靠性研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次根據(jù)冶金工業(yè)機(jī)器人高精度避障需求，在機(jī)器人硬件方面設(shè)計(jì)了觸摸屏、變頻驅(qū)動(dòng)器、伺服控制器以及其他輔件，利用串行接口將各個(gè)硬件設(shè)備連接，通過觸摸屏發(fā)出控制指令，利用變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服控制器完成操作指令，保證整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，下圖為冶金企業(yè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

（1）觸摸屏設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)需要具備工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，因此根據(jù)該設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了觸摸屏硬件設(shè)備，該設(shè)備的作用主要是顯示冶金企業(yè)電氣運(yùn)行狀態(tài)，以及控制系統(tǒng)的控制程序，可以通過觸摸屏完成對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化控制指令的自定義設(shè)置，將其作為控制系統(tǒng)的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金企業(yè)機(jī)器人工況的監(jiān)控[1]。選取SHIG的T-1613型號(hào)觸摸屏，該觸摸屏具有超高清顯示優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部搭載I9處理器，可以通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金工業(yè)機(jī)器人設(shè)備轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及形成的監(jiān)控，將觸摸屏作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)。

圖1 冶金企業(yè)工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）變頻驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。變頻驅(qū)動(dòng)器的作用主要負(fù)責(zé)控制調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行的對(duì)外輸出動(dòng)力，將變頻驅(qū)動(dòng)器作為控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元[2]。根據(jù)冶金工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化控制需求，設(shè)計(jì)了伺服變頻和電機(jī)變頻兩種變頻驅(qū)動(dòng)器，其中伺服變頻驅(qū)動(dòng)器選用Lent GB6642型號(hào)，采用CIN模式模擬曲線，搭配電子齒輪來保證在對(duì)機(jī)器人變頻驅(qū)動(dòng)過程中的平穩(wěn)，使工業(yè)機(jī)器人可以按照控制程序正反轉(zhuǎn)的順利實(shí)現(xiàn)；電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)器選取青島志達(dá)公司生產(chǎn)的GUHI2640三相異步變頻驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可以通過接口與觸摸屏相連接，設(shè)定多檔運(yùn)行速度，可以機(jī)器人運(yùn)行過程中的變速時(shí)間，內(nèi)部搭載S156編碼器，通過編碼器返回機(jī)器人避障標(biāo)定運(yùn)行位置。

（3）高精度避障器設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)器人的高精度避障系統(tǒng)是根據(jù)聲波定位進(jìn)行控制，超聲波傳感器選用的是壓電式收發(fā)分體T/R40-16，它的中心頻率是40Hz，感應(yīng)角為15℃。超聲波發(fā)射器電路用于產(chǎn)生40 kHz超聲波。它通過激勵(lì)電路驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生器產(chǎn)生的40 Hz方波，并使用超聲發(fā)射器的換能器將其發(fā)射出去。伺服控制器主要是由基于ARM內(nèi)核的32位微控制裝置、微處理裝置組成的78B41單片機(jī)，以及LED數(shù)碼管、鍵盤、4個(gè)發(fā)光二極管等相關(guān)元件組成。同時(shí)端口還復(fù)用輸出資源，輸出為DO，3A，可直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，還具備12路PWM及2路H橋功能。超聲波接收換能器接收的超聲波回波是失真的正弦波。為了使單片機(jī)準(zhǔn)確，及時(shí)地檢測(cè)到回聲，必須將信號(hào)發(fā)送到檢測(cè)電路，以將失真的正弦波轉(zhuǎn)換為方波。

（4）電路設(shè)計(jì)。為了保證系統(tǒng)的電源電壓穩(wěn)定，冶金企業(yè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)采用4.5V電壓供電，并且分別在系統(tǒng)輸入端口和輸出端口安裝經(jīng)線性穩(wěn)壓電源LMIII9GT-3.0V和LMIII9GT-1.5V，將系統(tǒng)的供電電壓降低到3.0V和1.5V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于三級(jí)通信模式的機(jī)器人高精度避障數(shù)據(jù)傳輸

為了保證避障聲波系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，對(duì)于系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸采用三級(jí)通信模式。觸摸屏和變頻驅(qū)動(dòng)器的通訊視作為一級(jí)傳輸模式，在該級(jí)通信中以觸摸屏為核心的系統(tǒng)監(jiān)視單元作為上位機(jī)，包含變頻驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元作為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)采用H264網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行串口通信，通過該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，系統(tǒng)的監(jiān)視單元接收外界的控制指令和參數(shù)，并且操控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元的工作模式并且向驅(qū)動(dòng)單元錄入基本工作參數(shù)；將變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服控制器的數(shù)據(jù)通信作為二級(jí)通信，在該級(jí)通信中，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元作為上位機(jī)，即數(shù)據(jù)輸出端，以伺服控制器為核心的系統(tǒng)控制單元為下位機(jī)，即數(shù)據(jù)接收端，上位機(jī)與下位機(jī)同樣采用H264網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元通過廣播模式向系統(tǒng)控制單元傳輸數(shù)據(jù)；將伺服控制器和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸視作為三級(jí)通信，在該級(jí)通信中系統(tǒng)的控制單元作為上位機(jī)，系統(tǒng)的監(jiān)視單元為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)的通信采用Lenze數(shù)頻接口通訊，通過各自的數(shù)字頻率輸入端口和輸出端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各級(jí)依靠各自的通信方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)視、驅(qū)動(dòng)、控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 基于PID算法的機(jī)器人高精度避障

在上述基礎(chǔ)上，引入PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人高精度避障控制。在對(duì)PID算法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是設(shè)計(jì)出符合系統(tǒng)控制要求的目標(biāo)函數(shù)，首先要根據(jù)冶金企業(yè)避障需求，選擇主控制標(biāo)量和狀態(tài)變量。在操作過程中，狀態(tài)變量應(yīng)描述系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，然后必須使用目標(biāo)函數(shù)輸出和計(jì)算控制標(biāo)量和狀態(tài)變量，并且必須由伺服控制器為計(jì)算出的控制變量分配指令，設(shè)備執(zhí)行控制命令。PID算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

將冶金企業(yè)機(jī)器人運(yùn)行速度和運(yùn)行周期作為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)其函數(shù)公式如下：

公式（1）中，w為電氣平均運(yùn)行速度；s為電氣運(yùn)行周期；Mp為系統(tǒng)的超調(diào)量，ts為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，e-a為系統(tǒng)控制誤差。利用該函數(shù)計(jì)算出電氣運(yùn)行曲線，將其與控制目標(biāo)相對(duì)比，判斷目前機(jī)器人運(yùn)行是否正常和穩(wěn)定，如果二者不相符，通過調(diào)節(jié)比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間，控制高精度避障運(yùn)行參數(shù)，使機(jī)器人運(yùn)行恢復(fù)正常。

機(jī)器人高精度避障的具體步驟為：首先確定冶金企業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行周期等參數(shù)的大致范圍和編碼長度，對(duì)其進(jìn)行編碼。然后將公式（1）所有計(jì)算出的單個(gè)參數(shù)組成一組參數(shù)，最后通過誤差調(diào)整所有參數(shù)值，達(dá)到機(jī)器人運(yùn)行預(yù)定指標(biāo)，以此完成冶金企業(yè)工業(yè)機(jī)器人高精度避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)以某冶金企業(yè)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該企業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：將變頻驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)周期設(shè)置為40s，驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為15.46Hz，驅(qū)動(dòng)指令響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為0.55s，伺服控制器控制頻率設(shè)置為12.45Hz，控制周期為10min，狀態(tài)顯示設(shè)置為僅顯示狀態(tài)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為240min，記錄兩個(gè)系統(tǒng)在控制過程中控制指令停止次數(shù)，和停止時(shí)長，將其作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出兩個(gè)系統(tǒng)的魯棒值，魯棒值取值范圍為0-1，數(shù)值越大則說明系統(tǒng)的魯棒性越好，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)以兩個(gè)系統(tǒng)的魯棒值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩個(gè)系統(tǒng)魯棒值對(duì)比

從上表可以看出，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)魯棒值平均為0.97，而傳統(tǒng)系統(tǒng)為0.69，說明此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的可靠性，可以滿足冶金企業(yè)機(jī)器人避障的基本需求。

4 結(jié)束語

此次結(jié)合冶金企業(yè)機(jī)器人避障需求，開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的高精度避障系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的可靠性。此次研究內(nèi)容為冶金企業(yè)機(jī)器人高精度避障系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化提供了理論依據(jù)，為冶金企業(yè)生產(chǎn)提供了保證，有利于提高冶金企業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。此次僅對(duì)冶金企業(yè)機(jī)器人高精度避障系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究，研究內(nèi)容存在不足之處，今后將重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行深入研究。