湖南工業(yè)大學(xué) 胡云飛 譚會(huì)生 于雪鋒 逯真真

1 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，使得傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)逐步被自動(dòng)化生產(chǎn)所取代，碼垛機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用就是其中的一種突出表現(xiàn)。由于碼垛機(jī)器人具有占地面積小、作業(yè)范圍廣、多生產(chǎn)線作業(yè)等特點(diǎn)[1]，因此通過(guò)采用碼垛機(jī)器人代替人工作業(yè)，不僅可以提高工作效率、節(jié)省勞動(dòng)成本[2]，而且提高了物流產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度，使得物流產(chǎn)業(yè)向著更加高效的方向發(fā)展。因此，本文將對(duì)碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)類(lèi)型

本文所研究的碼垛機(jī)器人的機(jī)械類(lèi)型為圓柱坐標(biāo)型，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知，碼垛機(jī)器人有四個(gè)自由度，分別是基座旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)和端拾器旋轉(zhuǎn)[3]。機(jī)器人在工作時(shí)，其工作范圍構(gòu)成一圓柱形空間，在此將基座旋轉(zhuǎn)軸定義為S軸，肘部水平移動(dòng)軸定義為U軸，肩部垂直移動(dòng)軸定義為L(zhǎng)軸，腕部端拾器旋轉(zhuǎn)軸定義為T(mén)軸。故此類(lèi)型的碼垛機(jī)器人空間坐標(biāo)可以用M(r，θ，z，α)形式表示，其中r代表U軸的位移量，θ代表S軸旋轉(zhuǎn)角度，z代表L軸位移量，α代表T軸旋轉(zhuǎn)角度。以上4個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸全部采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，以此達(dá)到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、定位精度高和驅(qū)動(dòng)負(fù)載力矩大的要求[4]。腕部可根據(jù)作業(yè)任務(wù)的種類(lèi)安裝有相應(yīng)的機(jī)械手。

圖1 圓柱坐標(biāo)型碼垛機(jī)器人

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由圖2可知，碼垛機(jī)器人的硬件系統(tǒng)采用了分布式控制結(jié)構(gòu)[5]，其主要由主控制器、I/O接口板、示教器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、控制柜及電源控制電路等組成。其主要任務(wù)是對(duì)來(lái)自人機(jī)界面的指令進(jìn)行處理并與周?chē)南嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)同控制。

3.1 主控制器

主控制器采用基于嵌入式ARM平臺(tái)的S3C2440微處理器，其具有豐富的外圍接口以及高達(dá)256M內(nèi)存，并配有SD卡槽。此外，ARM微處理器還具備低成本、低能耗、可靠性高等優(yōu)勢(shì)[6-8]。主控制器的功能是將示教盒傳輸來(lái)的示教信號(hào)通過(guò)RS232總線傳輸給協(xié)處理器FPGA板，使其進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和軌跡規(guī)劃。與此同時(shí)，主控制器與四個(gè)交流伺服電機(jī)通過(guò)RS485總線進(jìn)行通信，對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。在此期間，主控制器不斷地接收來(lái)自各個(gè)編碼器的反饋脈沖量，并結(jié)合讀取到的零位和正反限位檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算實(shí)際位姿與期望位姿的偏差產(chǎn)生各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的伺服修正控制量，使機(jī)器人輸出的位姿達(dá)到預(yù)期狀態(tài)。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器采用Altera公司的FPGA芯片，這是一款基于EP2C5T144C8N芯片設(shè)計(jì)的高性能處理器，其主要任務(wù)是完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃和產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的變頻脈沖信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的再現(xiàn)功能。

3.3 示教盒

示教盒的主體也是由嵌入式ARM板構(gòu)成，其任務(wù)是對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行運(yùn)行管理，將機(jī)器人的狀態(tài)信息呈現(xiàn)給操作者，實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人之間的交互功能。通過(guò)外接的LCD觸摸屏，可以切換手動(dòng)示教模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，示教模式時(shí)，通過(guò)觸控LCD觸摸屏與主控制器系統(tǒng)通信來(lái)完成示教功能；運(yùn)行模式時(shí)，LCD觸摸屏主要用來(lái)監(jiān)控碼垛機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以及控制器的當(dāng)前工作狀態(tài)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件采用Linux操作系統(tǒng)和Qt界面，Linux操作系統(tǒng)具有可搶占式的多任務(wù)機(jī)制，而Qt界面具有優(yōu)良的高度模塊化封裝機(jī)制，因此，控制系統(tǒng)可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]。由于各個(gè)模塊具有相對(duì)較高的獨(dú)立性且相互之間通信簡(jiǎn)單，使得編寫(xiě)與調(diào)試應(yīng)用程序異常簡(jiǎn)便，同時(shí)也便于系統(tǒng)軟件擴(kuò)展和維護(hù)[10]。

碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括兩大部分：主控制系統(tǒng)模塊和示教系統(tǒng)模塊。核心板ARM子系統(tǒng)主要有6個(gè)模塊：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、再現(xiàn)模塊、故障檢測(cè)處理模塊和兩個(gè)通訊模塊；FPGA部分主要模塊有通信模塊、寄存器模塊、命令解析模塊、軌跡插補(bǔ)模塊以及速度和脈沖生成模塊；示教系統(tǒng)的主要模塊有參數(shù)設(shè)置模塊、示教模塊、I/O故障監(jiān)控模塊、精確定時(shí)模塊和通訊模塊。

5 閉環(huán)控制算法

在碼垛機(jī)器人的交流伺服系統(tǒng)中，一般情況下，每個(gè)關(guān)節(jié)都采用閉環(huán)控制[11]，因此，在本設(shè)計(jì)中，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸也都是采用完整的三環(huán)控制模式，從內(nèi)到外依次為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。

在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的四個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均處在速度控制模式，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送來(lái)的模擬電壓信號(hào)。由于伺服驅(qū)動(dòng)器本身已經(jīng)固化了用于計(jì)算電流環(huán)和速度環(huán)的參數(shù)自整定閉環(huán)PID控制算法，所以伺服系統(tǒng)對(duì)輸入速度信號(hào)的跟隨已經(jīng)相當(dāng)精確，因此，只需要對(duì)位置環(huán)的控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以達(dá)到很精確的控制效果。

由于運(yùn)動(dòng)控制器是發(fā)送的信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)，因此必須采用數(shù)字式PID控制器。而數(shù)字式PID控制器分為兩種，分別是位置式數(shù)字PID和增量式數(shù)字PID控制器。

位置式數(shù)字PID控制器的計(jì)算公式為：

其中，PK為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)，TS為采樣時(shí)間，e(k)為輸入偏差量，u(k)為輸出控制量。

由于位置式數(shù)字PID存在累計(jì)誤差，所以如果編碼器出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)造成電機(jī)偏離預(yù)計(jì)運(yùn)行位置，引發(fā)安全事故。而增量式數(shù)字PID控制器只計(jì)算相鄰的兩個(gè)u(k)之差，并不存在誤差累計(jì)問(wèn)題，即使編碼器出現(xiàn)故障，也不會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行位置造成影響。因此，本設(shè)計(jì)選用增量式數(shù)字PID控制器。

增量式PID需要首先計(jì)算出u（k-1），其計(jì)算公式如式(2)所示：

增量式PID計(jì)算公式為：

本文設(shè)計(jì)了有針對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)的前饋+PID位置環(huán)控制器，其軟件框圖如圖3所示。在每個(gè)伺服周期內(nèi)，閉環(huán)控制器會(huì)首先得到下一個(gè)電機(jī)位置Pdemand，并通過(guò)分析相對(duì)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)得到當(dāng)前電機(jī)位置Pnow，兩者之差便是PID控制器的輸入偏差e(k)。PID控制器輸出量與下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的速度與速度系數(shù)的乘積以及加速度與加速度系數(shù)的乘積之和，便是整個(gè)閉環(huán)控制器的輸出u(k)，由于u(k)是一個(gè)數(shù)字電壓量，而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要接收的是模擬信號(hào)，因此需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓值。本設(shè)計(jì)對(duì)于同樣的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，閉環(huán)算法的執(zhí)行周期都比位置環(huán)伺服大大縮短，使得碼垛機(jī)器人的四軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)具備實(shí)時(shí)性。

圖3 位置環(huán)控制器框圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在嵌入式平臺(tái)上完成了碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用ARM +FPGA的核心控制架構(gòu)，采用了模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展與維護(hù)，并采用針對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)的帶有前饋的PID位置環(huán)控制算法，使得機(jī)器人的電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制較精確。

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