新一代多自由度工業(yè)機械臂DCS系統(tǒng)設計

崔 凌，曹福凱

（1.衡水學院，衡水 053000；2.華北理工大學，唐山 063210）

0 引言

DCS系統(tǒng)是當前制造業(yè)中，應用最多的分布式控制系統(tǒng)。其中，多自由度工業(yè)機械臂在DCS的應用越來越多。在危險與惡劣的工業(yè)環(huán)境中，只能由機械臂代替工作人員，完成相應的操作，為確保機械臂順利完成工作，需精準完成遠程控制端的DCS系統(tǒng)交互[1]。合理通過DCS系統(tǒng)控制機械臂，既能夠降低人員成本，還能夠降低工作風險。

相關(guān)的新一代控制系統(tǒng)設計思路一直是研究的熱門問題。陳玲玲等人設計機械臂異步控制系統(tǒng)，通過濾波器分析法識別目標，采用投票策略與差值預測窗口，完成機械臂的調(diào)節(jié)，通過偽密鑰異步控制機械臂；該系統(tǒng)可有效控制機械臂，機械臂控制速率較快[2]。屈海軍等人設計冗余機械臂控制系統(tǒng)，利用拉格朗日函數(shù)，建立機械臂扭矩和連桿的關(guān)系模型，依據(jù)二型模糊集設計PID控制器，通過遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)，利用優(yōu)化后的控制器完成機械臂控制；該系統(tǒng)可有效降低控制誤差[3]。但上述兩個典型的控制系統(tǒng)均無法確保信息傳輸?shù)母咝耘c可靠性，影響機械臂遠程控制效果和控制精度。網(wǎng)絡通信可確保信息傳輸延時的有界性，提升信息傳輸可靠性，完成信息的高效傳輸。

為此本文設計基于網(wǎng)格通信的新一代多自由度工業(yè)機械臂DCS系統(tǒng)，精準自動化控制機械臂。

1 新一代多自由度工業(yè)機械臂DCS控制系統(tǒng)設計

新一代DCS系統(tǒng)以網(wǎng)絡通信為連接通道，建立多自由度工業(yè)機械臂自動化控制模塊。該系統(tǒng)主要包含客戶端、網(wǎng)絡通信模塊與現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 新一代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

客戶端具備瀏覽與操作等功能，利用瀏覽設備為用戶提供多自由度工業(yè)機械臂圖像與聲音等信息，用于也可通過瀏覽設備輸入多自由度工業(yè)機械臂的操作指令，通過操作桿將操作指令傳輸至無線通信模塊。

無線通信模塊是整個系統(tǒng)的信息傳輸模塊，負責將操作指令傳輸至服務器，同時將多自由度工業(yè)機械臂現(xiàn)場操作信息傳輸至客戶端，該模塊中設計了緩沖器，用于確保信息傳輸?shù)倪B續(xù)性，減少網(wǎng)絡時延。

服務器接收操作指令后，負責激活FPGA運動控制器，并開啟視頻監(jiān)視器，實現(xiàn)與多自由度工業(yè)機械臂服務器間的通信，傳輸操作指令后，經(jīng)由無線通信模塊將反饋結(jié)果傳輸至客戶端；服務器同時還需要維持用戶隊列，合理分配控制權(quán)。

FPGA運動控制器被激活接收操作指令后，利用數(shù)據(jù)采集模塊提取操作指令所需的視頻監(jiān)視信息[4]，運動學逆解模塊依據(jù)提取的信息與操作指令，獲取多自由度工業(yè)機械臂各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)位移，軌跡規(guī)劃模塊利用基于拋物線過渡的線性插值法，按照關(guān)節(jié)位移規(guī)劃多自由工業(yè)機械臂運動軌跡，脈沖調(diào)速模塊依據(jù)伺服控制箱，為機械臂調(diào)制不同的驅(qū)動脈沖序列，伺服控制箱按照驅(qū)動脈沖序列與運動軌跡數(shù)據(jù)，精準控制多自由度工業(yè)機械臂內(nèi)的驅(qū)動器，確保機械臂關(guān)節(jié)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，編碼器反饋模塊負責提取多自由度機械臂關(guān)節(jié)運轉(zhuǎn)反饋信息，并傳輸至服務器。

1.1 多自由度工業(yè)機械臂的客戶端與服務器

多自由度工業(yè)機械臂自動化控制系統(tǒng)中客戶端的程序框圖如圖2所示。

圖2 客戶端的程序框圖

客戶端中主線程啟動后，將多自由度工業(yè)機械臂操作指令傳輸至服務器，操作指令允許后，初始化客戶端，等待接收多自由度工業(yè)機械臂運動軌跡軌跡規(guī)劃結(jié)果，處理運動學逆解模塊與軌跡規(guī)劃模塊，依據(jù)操作指令生成機械臂關(guān)節(jié)運動軌跡，獲取軌跡點序列，按照事件觸發(fā)方式，依次經(jīng)過客戶網(wǎng)絡傳輸單元將軌跡點序列傳輸至服務器[5]，接收操作指令返回值后，分析軌跡點序列的完成程度，并以同樣的方式啟動查詢單元，接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡延時補償單元按照同樣的方式，選擇新的延時數(shù)據(jù)完成延遲補償，實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程閉環(huán)控制。

多自由度工業(yè)機械臂自動化控制系統(tǒng)中服務器的程序框圖如圖3所示。

圖3 服務器的程序框圖

服務器中主線程啟動后，等待客戶端的連接請求，當客戶端發(fā)送操作多自由度工業(yè)機械臂指令后，初始化服務器，并等待操作指令到達，服務器網(wǎng)絡傳輸單元按照事件驅(qū)動方式，翻譯接收的操作指令，獲取底層控制函數(shù)的GT指令集，用于驅(qū)動多自由度工業(yè)機械臂驅(qū)動器，查詢單元以同樣的方式，查看多自由度工業(yè)機械臂各關(guān)節(jié)的狀態(tài)，按照時間驅(qū)動方式分配狀態(tài)信息，分配至服務器網(wǎng)絡傳輸單元與用戶界面。服務器具備完成執(zhí)行器的作用。

1.2 DCS系統(tǒng)中的網(wǎng)絡通信模塊

新一代多自由度工業(yè)機械臂DCS控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡通信模塊至關(guān)重要，負責整個系統(tǒng)的信息傳輸，網(wǎng)絡通信模塊中利用CC2630芯片控制網(wǎng)絡節(jié)點的處理操作與任務管理等，利用射頻芯片延長多自由工業(yè)機械臂相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸距離，電源單元負責為網(wǎng)絡通信模塊提供電源，經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)換器單元變更成網(wǎng)絡節(jié)點所需的電壓，通過串口單元為網(wǎng)絡通信模塊提供連接客戶端與服務器的通信接口，利用LCD呈現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)，由LED出現(xiàn)網(wǎng)絡連接狀態(tài)，通過緩沖器確保任意時間延遲相同，縮短網(wǎng)絡延遲，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡通信模塊結(jié)構(gòu)圖

在網(wǎng)絡通信模塊內(nèi)設計校驗函數(shù)，確保服務器和客戶端間的安全連接，設計指令排序函數(shù)確保操作指令按照順序操作，實時修正網(wǎng)絡傳輸超時，設計容錯函數(shù)確保多自由度工業(yè)機械臂相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，設計同步時間函數(shù)確保線程的同步操作。

1.3 多自由度工業(yè)機械臂軌跡規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)設計

利用基于拋物線過渡的線性插值法，規(guī)劃多自由工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)軌跡。令多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)啟動的初始時間是t0，結(jié)束時間是tb，中間時間是th，因此，，多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)的初始位置是r0，結(jié)束位置是rb，關(guān)節(jié)位移中間位置是rh，r0、rb、rh均由運動學解逆模塊獲取，同時rh需符合。令由初始時刻拋物線區(qū)域轉(zhuǎn)移至中間直線區(qū)域的時間是ta，由中間直線區(qū)域轉(zhuǎn)移至結(jié)束拋物線的時間是tb-a，設定初始拋物線與結(jié)束拋物線屬于對稱關(guān)系，且兩條拋物線加速度相同，符合是正負關(guān)系。令加速度絕對值是a，拋物線區(qū)域維持時間一致，即ta=tb-a，根據(jù)勻加速運動學思想得知，多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)運動初始階段，在ta時，多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)位移如下：

式(1)的一階、二階導數(shù)獲取初始拋物線區(qū)域的角速度vta=ata與角加速度ata=a。

中間直線區(qū)域的多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)角速度為恒定的，且該速度即初始區(qū)域最終時間的速度，如式(2)所示：

令初始拋物線區(qū)域最終速度和直線區(qū)域速度相同，可確保拋物線區(qū)域與直線區(qū)域間的連接較為平滑，因此需符合的要求如式(3)所示：

在式(3)內(nèi)添加r0、rb、rh，獲取自變量是ta的方程at2a+rb=atatb+r0，拋物線區(qū)域內(nèi)的加速度是a，且a是固定的，對at2a+rb=atatb+r0展開解的分析獲取Δ=a2t2a－4arb+4ar0，為確保Δ=a2t2b－4arb+4ar0存在實根，即Δ≥0，解需符合。因為Δ＞0，Δ=a2t2b-4arb+4ar0存在兩個不等實根，所以兩端拋物線的中間線性插值的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃包含兩種情況，兩種情況的多自由度工業(yè)機械臂軌跡規(guī)劃結(jié)果雖不同，但軌跡規(guī)劃曲線均與th對稱，且rh在t0～tb范圍中，求解多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃函數(shù)分段函數(shù)，在0≤t≤ta情況下，分段函數(shù)如式(4)所示：

在ta≤t≤tb-a情況下，分段函數(shù)如式(5)所示：

在tb-a≤t≤tb情況下，分段函數(shù)如式(6)所示：

利用拋物線的時間位移方式，處理多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)初始運動與結(jié)束運動時刻，通過直線時間位移方式，處理多自由度工業(yè)機械臂關(guān)節(jié)運動中間區(qū)域，可確保關(guān)節(jié)運轉(zhuǎn)時非常平穩(wěn)。

2 實驗分析

以五自由度工業(yè)機械臂為實驗對象，利用本文設計的DCS系統(tǒng)自動化控制該機械臂，分析本文系統(tǒng)自動化控制機械臂的效果。設計五自由度工業(yè)機械臂完成目標接近、吸住、轉(zhuǎn)移與放下的操作，驗證本文系統(tǒng)是否可自動化控制該五自由度工業(yè)機械臂完成這一系列操作，驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5 五自由度工業(yè)機械臂自動化控制結(jié)果

分析圖5可知，本文系統(tǒng)可有效自動化控制五自由度工業(yè)機械臂，第一步完成接近目標操作，第二步完成吸住目標的操作，第三步完成目標轉(zhuǎn)移操作，第四步完成放下目標的操作，同時每一步操作均與事先設定的操作一致。實驗證明：本文系統(tǒng)可精準自動化控制多自由度工業(yè)機械臂。

分析本文系統(tǒng)自動化控制五自由度工業(yè)機械臂軌跡規(guī)劃效果，指定運動軌跡圖像如圖6所示。

圖6 指定運動軌跡圖像

本文系統(tǒng)自動化控制五自由度工業(yè)機械臂各關(guān)節(jié)運動軌跡規(guī)劃效果如圖7所示，各關(guān)節(jié)角速度曲線與角加速度曲線如圖8所示。

圖7 各關(guān)節(jié)運動軌跡規(guī)劃效果

圖8 各關(guān)節(jié)速度變化曲線

綜合分析圖7與圖8可知，本文系統(tǒng)可有效規(guī)劃該機械臂關(guān)節(jié)的運動軌跡，對比圖7可知，本文系統(tǒng)規(guī)劃的運動軌跡與設定軌跡基本相同，說明本文系統(tǒng)具備較優(yōu)的運動軌跡規(guī)劃效果，運動軌跡規(guī)劃效果好，則機械臂自動化控制精度便高；本文系統(tǒng)自動化控制該機械臂時，各關(guān)節(jié)的角速度曲線與角加速度曲線均變化平穩(wěn)，無顯著的突變，說明該機械臂自動化控制效果較優(yōu)。實驗證明：本文系統(tǒng)自動化控制多自由度機械臂時的軌跡規(guī)劃效果較優(yōu)，且各關(guān)節(jié)角速度與角加速度曲線變化平穩(wěn)，具備較優(yōu)的自動化控制效果。本文系統(tǒng)在規(guī)劃圖7軌跡時，共包含20個目標點，25段軌跡，分析本文系統(tǒng)自動化控制該機械臂時各段軌跡的運行速度、位置誤差與軌跡規(guī)劃效果，并以文獻[2]的機械臂控制系統(tǒng)與文獻[3]的冗余自由度機械臂運動控制系統(tǒng)為對比系統(tǒng)，三個系統(tǒng)的對比結(jié)果如表1所示，以前15段軌跡為例。

表1 機械臂控制的對比結(jié)果

分析表1可知，本文系統(tǒng)控制機械臂的運行時間比文獻[3]系統(tǒng)短，本文系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃誤差明顯低于其余兩個系統(tǒng)，且軌跡規(guī)劃曲線均為連續(xù)、平滑，文獻[2]系統(tǒng)的運行時間雖然最短，但其軌跡規(guī)劃誤差最大，且大部分軌跡規(guī)劃曲線為有停頓與抖動，其機械臂控制效果較差，文獻[3]系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃誤差相對較小，但運行時間較長，且軌跡規(guī)劃曲線中存在少量的有停頓與抖動的曲線；綜合分析可知，本文系統(tǒng)控制機械臂的時間較短，且軌跡規(guī)劃誤差小，軌跡規(guī)劃曲線連續(xù)、平滑，即機械臂控制效果最佳。以系統(tǒng)通信時通信誤碼元作為衡量本文系統(tǒng)通信性能指標，通信誤碼元越低，系統(tǒng)通信性能越佳，通信誤碼元閾值為100。分析本文系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡覆蓋度時的通信誤碼元，結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)運行穩(wěn)定性測試結(jié)果

分析圖9可知，隨著網(wǎng)絡覆蓋度的提升，本文系統(tǒng)的通信誤碼元逐漸降低，當網(wǎng)絡覆蓋度達到6dB時，通信誤碼元已接近0bit，并趨于穩(wěn)定，最高通信誤碼元在90bit左右，并未超過通信誤碼元閾值。實驗證明：本文系統(tǒng)自動化控制多自由度機械臂時的通信性能較優(yōu)。

3 結(jié)語

網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，促使利用互聯(lián)網(wǎng)完成遠程控制成為現(xiàn)實，延長了控制系統(tǒng)的控制距離。為此設計基于網(wǎng)絡通信的多自由度工業(yè)機械臂自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機械臂的遠程自動化控制，在惡劣工業(yè)環(huán)境中，可實現(xiàn)由多自由度工業(yè)機械臂代替人工操作，確保工作人員的生命安全。