郝 帥，祁宇明，周旺發(fā)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津 300353）

基于PLC的履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 帥1，祁宇明1，周旺發(fā)2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津 300353）

本文將基于PLC的履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)作為主要研究方向。根據(jù)機(jī)器人的功能要求確定控制方案，由控制方案選擇合適的控制元件并對(duì)元件進(jìn)行參數(shù)分析，最終應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過PLC在履帶機(jī)器人上的應(yīng)用，提高了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，取得了很好的結(jié)果。

履帶機(jī)器人；PLC；控制系統(tǒng)

對(duì)于履帶式機(jī)器人的研究，國(guó)內(nèi)起步比較晚，技術(shù)也相對(duì)落后，在實(shí)踐中表現(xiàn)出來的問題也很多，例如不穩(wěn)定的控制方式帶來的機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性極低、工作誤差大頻頻出現(xiàn)?，F(xiàn)階段對(duì)于可編程控制器的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，充分的事實(shí)證明可編程控制器對(duì)于惡劣環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性優(yōu)勢(shì)明顯，本文以可編程控制器（PLC）為核心進(jìn)行履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，為機(jī)器人本體構(gòu)建了一個(gè)功能可靠并且強(qiáng)大的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的方案研究

機(jī)器人控制系統(tǒng)的作用就像人類的大腦，它是機(jī)器人最重要的部分，控制著機(jī)器人執(zhí)行不同的指令?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)劣會(huì)影響機(jī)器人的可靠性及工作性能，先進(jìn)的控制系統(tǒng)決定了機(jī)器人運(yùn)用的便利程度[1]。

機(jī)器人控制系統(tǒng)所需包含的功能有：

1）移動(dòng)：能夠靈活的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等一系列常規(guī)動(dòng)作。

2）導(dǎo)航：能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主導(dǎo)航，并一定程度下實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性導(dǎo)航。

3）載重：一般工作環(huán)境下不低于80 kg.

4）人機(jī)交互：擁有人性化的人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互界面中能夠輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

5）系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)：開始工作時(shí)，控制系統(tǒng)需首先檢測(cè)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀況，確保履帶機(jī)器人能夠安全正常運(yùn)行。

6）系統(tǒng)可擴(kuò)展性：控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)應(yīng)擁有可擴(kuò)展性，控制系統(tǒng)可通過集成更多的外部模塊來提高相關(guān)的執(zhí)行能力[2]。

（2）控制系統(tǒng)方案概述

針對(duì)控制系統(tǒng)，核心控制既是控制安裝在機(jī)器人尾部的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)控制的精準(zhǔn)，需要加入反饋系統(tǒng)進(jìn)行控制精度的修正。同時(shí)，為了避免復(fù)雜的控制界面帶來的可操作性降低，需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單直觀的人機(jī)交互界面，提高機(jī)器人的可操作性，因此應(yīng)選擇常見的用戶熟悉的軟件環(huán)境。

圍繞機(jī)械本體對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先將控制要求中需要達(dá)到的要求作為首要的研發(fā)對(duì)象，把機(jī)器人控制系統(tǒng)分為五個(gè)核心模塊：人機(jī)交互模塊、核心控制模塊、驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行模塊、供電模塊和傳感裝置模塊[3]。具體控制策略如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的整體方案

機(jī)器人運(yùn)行的程序是在個(gè)人計(jì)算機(jī)上編寫完成的，然后通過RS232接口將編寫的程序傳輸至一體機(jī)，一體機(jī)接收到程序后通過控制外部硬件完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制；另一種控制方式將無線遙控上的不同按鈕定義為相應(yīng)的動(dòng)作命令，當(dāng)按下按鈕后，遙控會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)，無線模塊接收到該信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和處理，最后將處理后的信號(hào)傳輸?shù)揭惑w機(jī)，由一體機(jī)識(shí)別處理并完成后續(xù)的控制。由于驅(qū)動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)只能是單向驅(qū)動(dòng)，根據(jù)控制要求，需要外加繼電器完成電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制。

結(jié)合以上分析，機(jī)器人采用圖1所示的控制方式，此方式既能滿足控制方案的要求，又能使控制邏輯簡(jiǎn)單合理，具體方案如下：

1）通過VC++開發(fā)上位機(jī)的工作界面，解決上位機(jī)與控制器的通訊問題；

2）一體機(jī)需要完成整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制及與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)等工作；

3）控制系統(tǒng)主要由PLC、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)和編碼器等組成，有效的形成一個(gè)循環(huán)反饋控制回路。

4）電動(dòng)機(jī)動(dòng)作采用非數(shù)字量的方式控制。

（3）控制系統(tǒng)的詳細(xì)思路

根據(jù)具體方案所述的要點(diǎn)及所包含的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖2所示的履帶機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)控制方案框圖。整體的控制方案最核心的部分即是對(duì)于履帶機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)的控制，使其能夠精準(zhǔn)快速的完成不同的指令，這便對(duì)硬件系統(tǒng)提出了很高的要求。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用差速方式進(jìn)行控制。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制方案

2 控制器及元器件選型

（1）控制器選擇

所選PLC的型號(hào)為EX2N-70H-27/23MRT-8DA4AD，此控制器模擬量輸入精度為12位，模擬量寄存器中的數(shù)據(jù)能夠直接被讀取，滿足控制要求并節(jié)省控制反應(yīng)計(jì)算時(shí)間，但是在數(shù)據(jù)讀取過程中會(huì)存在一些誤差，這便需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，下面以模擬量AD0的獲取為例進(jìn)行分析說明。誤差的修正見表1.

表1 誤差修正表

將溫度傳感器與控制器的AD0連接，在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，D8030中所存的數(shù)據(jù)將傳送到D0中，控制器對(duì)D0進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果存入D10中，D10中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即為對(duì)應(yīng)的溫度值。見圖3.

圖3 工作程序圖

例如所測(cè)量溫度是47℃，而真實(shí)溫度是29℃，則誤差為18℃，這便需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，操作如圖4.

圖4 模擬量的修正1

接通M0，D8220中存入的數(shù)據(jù)是-180，通過最后的運(yùn)算監(jiān)控可見D10中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與真實(shí)溫度一致。見圖5.

圖5 模擬量的修正2

（2）驅(qū)動(dòng)器選型

所選用的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為YKC2608M-H。驅(qū)動(dòng)器的控制數(shù)據(jù)由輸入和輸出兩種信號(hào)組成[4]。

1）輸入信號(hào)

若輸入信號(hào)的電壓高于5V時(shí)，必須串聯(lián)一個(gè)電阻達(dá)到給電路限流的作用，所串聯(lián)電阻的大小以R來表示[5]。

阻值R選型依據(jù)為：當(dāng)控制器輸出電壓為+5 V時(shí)，則 R1=0 Ω，R2=0 Ω；當(dāng)控制器輸出電壓為+12 V 時(shí)，則 R1=510 Ω，R2=820 Ω；當(dāng)控制器輸出電壓為+24 V時(shí)，R1=1.2 KΩ，R2=1.8 KΩ.

2）輸出信號(hào)

驅(qū)動(dòng)器有 S4，S5，V1，V2，V3 五個(gè)接口，當(dāng)由 S4和S5控制時(shí)，M+，M-會(huì)立即停止輸出，跨接至V2（+）V1（-）.

（3）傳感器選型

傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)器人本身的工作狀況以及所處環(huán)境的情況，將檢測(cè)的信號(hào)傳輸回控制器，為控制提供可靠的安全保障。選擇合適的傳感器有助于提升機(jī)器人的整體性能，使機(jī)器人在面臨復(fù)雜環(huán)境時(shí)能夠快速響應(yīng)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令。

1）紅外傳感器

機(jī)器人底盤安裝了八個(gè)紅外傳感器，均布在四個(gè)方向上。主要作用是檢測(cè)機(jī)器人工作時(shí)周圍環(huán)境是否有障礙物，若檢測(cè)到障礙物，及時(shí)將信號(hào)傳輸給控制器，由控制器發(fā)出響應(yīng)的指令，控制機(jī)器人的后續(xù)動(dòng)作。所選的紅外傳感器型號(hào)為SB03-1K，該傳感器可調(diào)節(jié)的感應(yīng)距離為0～30 cm，額定電流為200 mA，滿足控制系統(tǒng)的功能要求。

2）光電編碼器

編碼器安裝在機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪上，并且與旋轉(zhuǎn)輪在同一軸線上，因此二者的轉(zhuǎn)速是相同的，這便可利用編碼器有規(guī)律的發(fā)出脈沖，進(jìn)而可計(jì)算出機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度。通過一個(gè)過程中編碼器所發(fā)出的脈沖數(shù)量來計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路程。設(shè)定L為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪的圓周長(zhǎng)度，Rn為編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周所發(fā)出的脈沖數(shù)量，N是Δt時(shí)間段內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量，Δt時(shí)間段內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路程是Δs，則：

由上式可見，由于編碼器發(fā)出脈沖數(shù)量和機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪周長(zhǎng)為固定值，要想精確計(jì)算機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪所行走的路程關(guān)鍵是精確記錄編碼器發(fā)出脈沖的數(shù)量。

所選編碼器的型號(hào)為E6B2-CWZ3E，主要參數(shù)如下：

工作電壓為DC5V-5%-24+15%；分辨率為600（脈沖/旋轉(zhuǎn)）；最高響應(yīng)頻率100 KHz；允許最高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速6 000 r/min.則定位精度：

式（2）中d為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪的直徑，為達(dá)到控制精度要求，定位精度必須控制在1 mm之內(nèi)；則所能達(dá)到的最大速度為：

根據(jù)以上公式的計(jì)算，所選的編碼器滿足技術(shù)要求，能夠達(dá)到所需的精度，對(duì)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位有非常積極的作用。

3 結(jié)論

本文以PLC為核心并結(jié)合繼電器電路構(gòu)建了機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以有效地改善傳統(tǒng)線路的眾多弊端線，使機(jī)器人經(jīng)常出現(xiàn)的故障得到解決，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過幾次復(fù)雜環(huán)境的試驗(yàn)，機(jī)器人能夠很好的適應(yīng)不同的路面，機(jī)器人的工作效率也有了顯著的提升。

[1]徐 德，鄒 偉.室內(nèi)移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的感知、定位與控制[M]．北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]馬傳翔.單輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理機(jī)器控制方法的研究[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]程二亭.災(zāi)害環(huán)境救援用履帶式機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2016.

[4]王仲民.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃及軌跡跟蹤問題研究[D]．河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[5]朱 俊.移動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析[D]．南京理工大學(xué)，2006.

Design of tracked robot control system based on PLC

HAO Shuai1，QI Yu-ming1，ZHOU Wang-fa2
（1.Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin Vocational and Technical Normal University，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Bono Intelligent Robot Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300353，China）

This paper will be based on programmable logic controller as the main research direction of crawler robot control system.Determine the control plan according to the requirement of the function of the robot control system.Select the appropriate control component according to the control plan and analyze the component，and finally apply to the robot control system.Through the application of programmable logic controller，the reliability and stability of the robot are improved，and good results are obtained.

crawler robot；programmable logic controller；control system

TL503.6

A

1672-545X（2017）08-0225-03

2017-05-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAK06B04） 天津市智能制造科技重大專項(xiàng)（15ZXZNGX00260）天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化培育類項(xiàng)目（ZHPY1602）

郝 帥（1990-），男，河北張北人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人及其應(yīng)用技術(shù)；祁宇明（1979-），男，湖北潛江人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用；周旺發(fā)（1988-），男，安徽東至人，本科，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。