搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

盧 鑫，郭 婷，譚越洋

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518000）

機(jī)器人是現(xiàn)代化建設(shè)不斷加快下的產(chǎn)物，其最初便是應(yīng)用于工業(yè)方面，因而工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展最為迅速。就目前而言，工業(yè)發(fā)展也不斷地趨向于自動(dòng)化，而搬運(yùn)機(jī)器人的研究應(yīng)用則對(duì)其自動(dòng)化發(fā)展有著促進(jìn)作用，同時(shí)也是工業(yè)方面先進(jìn)技術(shù)的重要內(nèi)容。很多國家對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人的研究都十分重視，同時(shí)在長期的發(fā)展過程中也已經(jīng)取得了一定的成就。以日本、美國等發(fā)達(dá)國家為例，其在搬運(yùn)機(jī)器人方面的研究已經(jīng)較為深入，同時(shí)不同類型的工業(yè)機(jī)器人也被廣泛地應(yīng)用于食品加工和包裝、機(jī)械制造等領(lǐng)域。相關(guān)研究表明，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用仍向著更為廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，同時(shí)其也能很大程度上改變工業(yè)生產(chǎn)及生活方式，由此來提高人們的生產(chǎn)效率，也為工業(yè)化發(fā)展提供了動(dòng)力。總體而言，搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)化發(fā)展中的應(yīng)用起到了很好的效果，其有效提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)也有利于精確化生產(chǎn)。隨著工業(yè)發(fā)展自動(dòng)化趨勢(shì)不斷加快，搬運(yùn)機(jī)器人的研究改進(jìn)也必將更為深入，由此也將實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的整體變革。

1 研究背景

1.1 研究意義

經(jīng)由上述內(nèi)容可知，搬運(yùn)機(jī)器人已然成為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的重要內(nèi)容，因而對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究十分重要。搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種新型搬運(yùn)裝置，其融合自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中，不僅加快了工業(yè)生產(chǎn)的效率，同時(shí)也避免了由人工操作所引起的操作失誤問題。一般地，搬運(yùn)機(jī)器人所進(jìn)行的工作往往具有重復(fù)性及連續(xù)性的特點(diǎn)，同時(shí)其也能夠從事一些危險(xiǎn)工作，由此也減少了工業(yè)生產(chǎn)事故的發(fā)生。由此可見，搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用確實(shí)有著較好的效果，同時(shí)其多方面的優(yōu)勢(shì)也決定了其良好的發(fā)展前景。當(dāng)前搬運(yùn)機(jī)器人的研究仍在不斷深入，且開始開發(fā)新的功能，旨在基于重復(fù)連續(xù)工作的基礎(chǔ)上，能夠使之完成其他一系列的工業(yè)操作，為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？傮w來看，搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量都有著很大的幫助，這也能最大化地提高企業(yè)的市場競爭力。因而對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究有著十分重要的意義。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人的研究發(fā)展已有較長的歷程，第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人于20世紀(jì)60年代便已研發(fā)，自此，很多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家開始了對(duì)工業(yè)機(jī)器人漫長的研究。搬運(yùn)機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人的重要分支，其主要是用于完成各類作業(yè)任務(wù)，同時(shí)也融入了一定的智能化及適應(yīng)性，因而可以準(zhǔn)確地在一些嚴(yán)峻的環(huán)境中完成難度較大的作業(yè)。當(dāng)前國外對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人的研究十分重視，如美國和日本，搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更是十分先進(jìn)，美國的機(jī)器人技術(shù)也處于國際領(lǐng)先地位，日本的機(jī)器人數(shù)量及種類則為世界之最。在中國，工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)研究也都在進(jìn)行，但對(duì)于一些中小型企業(yè)而言，由于搬運(yùn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)含量及生產(chǎn)成本都比較高，導(dǎo)致其無法耗費(fèi)巨大的成本投入到搬運(yùn)機(jī)器人的使用，因而搬運(yùn)機(jī)器人的使用范圍受到了很大的限制。但在后續(xù)的發(fā)展中，受到企業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及產(chǎn)業(yè)優(yōu)化的影響，搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用有所推廣，同時(shí)諸多企業(yè)利用機(jī)器人代替人工操作，也取得了一定的成效。從整體上來看，中國搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展較為迅速，但與發(fā)達(dá)國家相比，還有著不小的差距。

1.3 研究內(nèi)容

本文重點(diǎn)研究內(nèi)容即為搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此過程中，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，研究了開放式的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是未來搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)結(jié)合搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，從而更為有效地促進(jìn)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

2.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用了諸多方面的先進(jìn)技術(shù)，如力學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)。對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人而言，其有著諸多方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，由于機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)及性能方面逐漸向著智能化方向發(fā)展，因而其適應(yīng)性也在不斷增強(qiáng)，能夠廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方面。目前搬運(yùn)機(jī)器人主要由3部分組成，分別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)。搬運(yùn)機(jī)器人的手部設(shè)計(jì)較為特殊，其多為回轉(zhuǎn)型或是平動(dòng)型，其一般根據(jù)需要設(shè)計(jì)為外抓式或是內(nèi)抓式[1]。而對(duì)于其腕部而言，往往是采用直接驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中也要注意其緊湊性，主要是由于腕部需要安裝驅(qū)動(dòng)源，緊湊的結(jié)構(gòu)更有利于安裝。此外，還有一些研究將機(jī)器人分為5部分，分別為機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器以及輸入輸出系統(tǒng)，這樣的結(jié)構(gòu)劃分也是依據(jù)其各部分機(jī)能進(jìn)行的。傳感器則是機(jī)器人的核心所在，其能夠根據(jù)自身所處的環(huán)境來下達(dá)指令信號(hào)，控制機(jī)器人的行動(dòng)，從而更好地完成各方面工作。

2.2 搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)而言，其定位的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性很大程度上受到角加速度的慣量項(xiàng)和重力項(xiàng)的影響，因而當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度過快時(shí)，其所受到的科氏力與向心力便會(huì)對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生較大的影響。對(duì)于模塊化輕載搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究而言，在實(shí)際工作過程中S、L關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)較為緩慢，這也有效減小了科氏力與向心力對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的影響，甚至可以將之忽略不計(jì)。但需要注意的是，此時(shí)搬運(yùn)機(jī)器人上部分的小臂以及腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相對(duì)較快，因而并不能忽略科氏力以及向心力對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的影響[2]。當(dāng)S、L、U關(guān)節(jié)質(zhì)量相對(duì)較小時(shí)，其所產(chǎn)生的慣量也較小，此時(shí)便需要重點(diǎn)分析向心力及科氏力的作用?？傮w而言，通過對(duì)影響機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)因素的分析，可以對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩進(jìn)行簡化，在此過程中也可以進(jìn)一步深入分析其力矩公式，由此方便動(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)行。

3 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

關(guān)于搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要通過嵌入式控制器的使用，將主控制器與操作系統(tǒng)相結(jié)合，利用符合條件的PLC軟件，在支持多種編程語言的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多個(gè)PLC任務(wù)，以此滿足搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其主要運(yùn)用到一個(gè)軟件PLC以及對(duì)應(yīng)的2個(gè)任務(wù)。通過總線將嵌入式PLC、模擬量采集模塊、數(shù)字采集模塊、激光雷達(dá)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行有效連接。

在傳感器系統(tǒng)中，主要選擇符合系統(tǒng)的激光雷達(dá)進(jìn)行機(jī)器人搬運(yùn)物體的外形檢測以及位置檢測。其雷達(dá)的探測扇形區(qū)域應(yīng)約為190°，對(duì)應(yīng)扇形的掃描區(qū)域的掃描線之間應(yīng)保持θ=0.36°，實(shí)際的探測距離應(yīng)約為50 m。與此同時(shí)激光雷達(dá)必須達(dá)到每隔20 ms便進(jìn)行一次掃描。由此掃描得到的數(shù)據(jù)則包含有一定準(zhǔn)確性的角度值和距離值，數(shù)據(jù)則能夠通過總線傳輸給主控制器。而針對(duì)當(dāng)前的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在激光雷達(dá)的運(yùn)用中具有一定的局限性，激光雷達(dá)只能夠檢測到機(jī)器人的前方一定高度的物體，但對(duì)于地面的情況無法深入檢測。對(duì)此情況，則通過光電傳感器的設(shè)計(jì)滿足搬運(yùn)機(jī)器人行動(dòng)過程中對(duì)于地面情況的檢測。即在搬運(yùn)機(jī)器人的地盤前后左右處各安裝一組光電傳感器，以此全面對(duì)地面情況進(jìn)行檢測。光電傳感器能夠輸出較高的電平，再通過繼電器的利用進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將光電信號(hào)向開關(guān)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而連接到數(shù)字量的輸入模塊。

在搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，無法避免機(jī)械加工以及裝配生產(chǎn)所帶來的誤差，即在機(jī)器人行走的過程中常常會(huì)偏離正確的預(yù)測方向，因此為了充分降低機(jī)器人行走方向誤差的產(chǎn)生，在搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中增加了數(shù)字羅盤模塊，其通過磁傳感器中的X、Y軸同時(shí)感應(yīng)到磁分量，并且準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)應(yīng)的方位角度，以此完成搬運(yùn)機(jī)器人的預(yù)測方向校準(zhǔn)。數(shù)字羅盤主要是與控制系統(tǒng)的控制器相連信，在機(jī)器人遇到轉(zhuǎn)彎情況時(shí)，數(shù)字羅盤能夠檢測出一定的角度來保證搬運(yùn)機(jī)器人的行走方向是準(zhǔn)確的[3]。

與此同時(shí)，在搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)路線、方向進(jìn)行確定的同時(shí)，還應(yīng)滿足搬運(yùn)機(jī)器人對(duì)于搬運(yùn)物體的搬運(yùn)力度控制，保證搬運(yùn)機(jī)器人在搬運(yùn)物體的過程中不會(huì)對(duì)物體造成損害。以此則要求在搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手指內(nèi)部安裝壓力應(yīng)變片，通過壓力應(yīng)變片能夠有效讀取搬運(yùn)機(jī)器人所抓取的物體的力度，從而保證搬運(yùn)機(jī)器人在物體的抓取過程中不會(huì)損壞物體。其對(duì)應(yīng)的壓力應(yīng)變片應(yīng)與其他對(duì)應(yīng)的電阻形成橋式電路，與對(duì)應(yīng)的芯片構(gòu)成簡單的儀表放大器。將相關(guān)讀取到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理，以此傳遞到模擬量采集模塊，對(duì)應(yīng)電路主要由兩級(jí)相對(duì)差分的放大電路構(gòu)成，具有高共模擬制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差以及設(shè)置靈活等特點(diǎn)。

除此之外，在搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，控制系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定性，但同時(shí)也應(yīng)保證搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一定性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行一系列搬運(yùn)工作程序的基礎(chǔ)，也是搬運(yùn)機(jī)器人順利開展工作的關(guān)鍵。搬運(yùn)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要運(yùn)用到了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇至關(guān)重要。在搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作運(yùn)用基礎(chǔ)上進(jìn)行其他關(guān)鍵位置的設(shè)計(jì)，其中包括底盤輪子、手臂升降同步帶的設(shè)計(jì)。

在搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，其在對(duì)應(yīng)的機(jī)器人底盤上應(yīng)安裝有4個(gè)全向輪以及4個(gè)直流伺服電機(jī)，4個(gè)直流伺服電機(jī)在經(jīng)過了減速機(jī)進(jìn)行了有效減速后會(huì)與底盤的4個(gè)輪子相連接。其中搬運(yùn)機(jī)器人的手臂升降以及機(jī)械手的張合都能夠由直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4]。關(guān)于搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其主要是一種關(guān)于模塊化的伺服驅(qū)動(dòng)器能夠有效通過利用速度環(huán)和位置環(huán)的PI控制，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且能夠在其搬運(yùn)機(jī)器人受到負(fù)載的擾動(dòng)時(shí)進(jìn)行快速地恢復(fù)工作，進(jìn)而保證搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)過程穩(wěn)定。同時(shí)，運(yùn)用在搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手上的伺服電機(jī)都必須處在一定的工作位置模式，其依靠升降同步帶的控制，利用升降同步帶以及控制機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，能夠有效保證搬運(yùn)機(jī)器人的手臂升降高度以及搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手力度都在一定滿意的控制程度。

4 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件而言，其很大程度上決定著機(jī)器人的整體控制。軟件系統(tǒng)主要包括物體探測子程序、主程序以及抓取子程序等，在程序的編寫過程中，需要符合標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)文本語言，由此才能發(fā)揮其應(yīng)有的效果。此外，嵌入式軟件PLC可以進(jìn)行多個(gè)任務(wù)的劃分，其經(jīng)掃描所得到的數(shù)據(jù)量也比較大，為了有效保證程序的運(yùn)行效率，需要將物體探測子程序作為任務(wù)執(zhí)行，而其他的子程序或是主程序都作為另一個(gè)任務(wù)進(jìn)行運(yùn)行。例如在搬運(yùn)機(jī)器人初步執(zhí)行了硬件初始化后，其手臂將會(huì)上升到待抓取位置，有效地采集手指的壓力傳感器信號(hào)，并將之作為測量的參考值。之后便可以進(jìn)入到探測子程序。同時(shí)由于激光雷達(dá)的安裝位置較為特殊，其測量范圍往往會(huì)被限制，因而所截取的有效探測數(shù)據(jù)往往為20°～170°。進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算也能判定物體為待抓取的目標(biāo)物體[5]。由此可見，在探測到物體的位置之后，也需要進(jìn)行其他參數(shù)的設(shè)置，幫助調(diào)整機(jī)器人手臂的方向，同時(shí)使物體位于手臂的正前方。此后則需要調(diào)整機(jī)器人與物體間的距離，將機(jī)械手放于物體正上方。此時(shí)便可以進(jìn)行抓取，同時(shí)其壓力變片也可以測得壓力，反映出是否抓牢。最后搬運(yùn)機(jī)器人抓取物體并升起手臂，將物體放置于指定地點(diǎn)放下。

5 結(jié)束語

本文中針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析研究，在此過程中，重點(diǎn)分析了搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。在對(duì)應(yīng)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)將PLC軟件作為核心準(zhǔn)備，集成光電傳感器、激光雷達(dá)、數(shù)字羅盤模塊、壓力檢測模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，利用對(duì)應(yīng)軟件程序的控制，以此充分實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人對(duì)搬運(yùn)目標(biāo)物的實(shí)際探測和搬運(yùn)。利用PLC軟件為核心的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，將有效減少系統(tǒng)死機(jī)以及程序紊亂等現(xiàn)象的發(fā)生。其中，關(guān)于激光雷達(dá)以及光電傳感器的應(yīng)用更能夠保證其數(shù)據(jù)的精確程度，尤其是與視覺傳感器進(jìn)行對(duì)比分析。激光雷達(dá)以及光電傳感器對(duì)于周圍環(huán)境中的光線強(qiáng)弱變化較為不敏感，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，并且能夠準(zhǔn)確測得距離值，其精度較高。同時(shí)在搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，利用一定的方法分析進(jìn)而幫助搬運(yùn)機(jī)器人能夠識(shí)別其他對(duì)應(yīng)外形特征的物體，以此實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的一定實(shí)用價(jià)值。對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)方面內(nèi)容的分析也有利于進(jìn)一步深入改善搬運(yùn)機(jī)器人的性能，同時(shí)也為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。