（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)，計算機技術(shù)和材料技術(shù)科學(xué)的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人的應(yīng)用變得越來越成熟，制造業(yè)開始使用工業(yè)機器人代替大量的人工生產(chǎn)。在實質(zhì)冶金工業(yè)電氣自動化控制系統(tǒng)中，是指由若干個避障系統(tǒng)原件組合，用于控制工業(yè)機器人運行，從而實現(xiàn)機器人安全、平穩(wěn)、可靠地運行，機器人高精度自動化避障系統(tǒng)需要具備自動控制、監(jiān)測、測量、保護等功能。隨著冶金企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，其對工業(yè)機器人控制需求也逐漸提高，需要對冶金企業(yè)生產(chǎn)流程進行全線跟蹤，并能針對不合理的生產(chǎn)程序及時調(diào)整和控制，然而目前還有一些的機械設(shè)備控制系統(tǒng)在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)死機、停運現(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

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

（1）觸摸屏設(shè)計。由于系統(tǒng)需要具備工業(yè)機器人實時監(jiān)視功能，因此根據(jù)該設(shè)計需求，設(shè)計了觸摸屏硬件設(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機器人自動化控制指令的自定義設(shè)置，將其作為控制系統(tǒng)的人機界面實現(xiàn)對冶金企業(yè)機器人工況的監(jiān)控[1]。選取SHIG的T-1613型號觸摸屏，該觸摸屏具有超高清顯示優(yōu)點，內(nèi)部搭載I9處理器，可以通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)對冶金工業(yè)機器人設(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。

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

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

（3）高精度避障器設(shè)計。工業(yè)機器人的高精度避障系統(tǒng)是根據(jù)聲波定位進行控制，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。它通過激勵電路驅(qū)動方波發(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，以及LED數(shù)碼管、鍵盤、4個發(fā)光二極管等相關(guān)元件組成。同時端口還復(fù)用輸出資源，輸出為DO，3A，可直接驅(qū)動伺服電機，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。為了使單片機準(zhǔn)確，及時地檢測到回聲，必須將信號發(fā)送到檢測電路，以將失真的正弦波轉(zhuǎn)換為方波。

（4）電路設(shè)計。為了保證系統(tǒng)的電源電壓穩(wěn)定，冶金企業(yè)工業(yè)機器人系統(tǒng)在運行時采用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

2.1 基于三級通信模式的機器人高精度避障數(shù)據(jù)傳輸

為了保證避障聲波系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，對于系統(tǒng)上位機和下位機的數(shù)據(jù)傳輸采用三級通信模式。觸摸屏和變頻驅(qū)動器的通訊視作為一級傳輸模式，在該級通信中以觸摸屏為核心的系統(tǒng)監(jiān)視單元作為上位機，包含變頻驅(qū)動器的系統(tǒng)驅(qū)動單元作為下位機，上位機與下位機采用H264網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行串口通信，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)動單元的工作模式并且向驅(qū)動單元錄入基本工作參數(shù)；將變頻驅(qū)動器和伺服控制器的數(shù)據(jù)通信作為二級通信，在該級通信中，系統(tǒng)的驅(qū)動單元作為上位機，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，即數(shù)據(jù)接收端，上位機與下位機同樣采用H264網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行串口數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)驅(qū)動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)傳輸視作為三級通信，在該級通信中系統(tǒng)的控制單元作為上位機，系統(tǒng)的監(jiān)視單元為下位機，上位機與下位機的通信采用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現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各級依靠各自的通信方式，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)視、驅(qū)動、控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 基于PID算法的機器人高精度避障

在上述基礎(chǔ)上，引入PID算法實現(xiàn)對機器人高精度避障控制。在對PID算法進行設(shè)計時，主要是設(shè)計出符合系統(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)輸出和計算控制標(biāo)量和狀態(tài)變量，并且必須由伺服控制器為計算出的控制變量分配指令，設(shè)備執(zhí)行控制命令。PID算法實現(xiàn)步驟如下：

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

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

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

3 實驗

（1）實驗設(shè)計。實驗以某冶金企業(yè)為實驗對象，利用此次設(shè)計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該企業(yè)機器人避障系統(tǒng)進行實驗。系統(tǒng)硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：將變頻驅(qū)動器驅(qū)動周期設(shè)置為40s，驅(qū)動頻率設(shè)置為15.46Hz，驅(qū)動指令響應(yīng)時間設(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。實驗時間為240min，記錄兩個系統(tǒng)在控制過程中控制指令停止次數(shù)，和停止時長，將其作為實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出兩個系統(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，將其作為實驗結(jié)果。

（2）實驗結(jié)果分析。實驗以兩個系統(tǒng)的魯棒值作為實驗結(jié)果，對兩個系統(tǒng)對比，實驗結(jié)果如下表所示。

表1 兩個系統(tǒng)魯棒值對比

從上表可以看出，此次設(shè)計的系統(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)計系統(tǒng)具有良好的可靠性，可以滿足冶金企業(yè)機器人避障的基本需求。

4 結(jié)束語

此次結(jié)合冶金企業(yè)機器人避障需求，開發(fā)設(shè)計了一個新的高精度避障系統(tǒng)，并通過實驗分析，驗證了此次設(shè)計系統(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。此次僅對冶金企業(yè)機器人高精度避障系統(tǒng)的可靠性進行了研究，研究內(nèi)容存在不足之處，今后將重點對系統(tǒng)的魯棒性進行深入研究。