張海霞，陳見輝

（河南科技職業(yè)大學(xué)，周口 466000）

0 引言

我國在工業(yè)生產(chǎn)方面的自動(dòng)化設(shè)備發(fā)展迅速，由于其具有很好的工作效率而得到了廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)技術(shù)不斷提高的今天，工業(yè)上機(jī)器人結(jié)合了現(xiàn)代生產(chǎn)和科技應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)中減輕了人力勞動(dòng)強(qiáng)度，代替了人工成為危險(xiǎn)加工環(huán)節(jié)的重要?jiǎng)趧?dòng)力[1]。電子氣動(dòng)機(jī)器人就是近年來工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的新鮮產(chǎn)物，機(jī)器人氣動(dòng)控制的動(dòng)力介質(zhì)是氣體，這種介質(zhì)主要是利用壓縮空氣作為機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的緩沖物質(zhì)，在機(jī)器人工作的過程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且迅速，減少了機(jī)器人自身的重量，達(dá)到了節(jié)能的效果。我國的電子氣動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了工業(yè)機(jī)械化設(shè)備的更新需要，代替了大量的人工，提高了生產(chǎn)效率。

但是目前對(duì)于電子氣動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)化控制方法的研究還在不斷更新，何高清等人以CAN總線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)機(jī)器人控制參數(shù)復(fù)雜的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中，使用的編程語言類型為C語言，上位機(jī)軟件進(jìn)行開發(fā)，在軟件的程序中能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備中的不同參數(shù)；控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的自由口和普通IO通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，并完成高精度的數(shù)據(jù)傳輸通信，因而能夠取得較好的控制實(shí)時(shí)性[2]；陳陽等人針對(duì)傳統(tǒng)剛性連桿多足機(jī)器人的缺陷，利用Arduino平臺(tái)對(duì)氣動(dòng)仿生四足機(jī)器人進(jìn)行控制，根據(jù)仿生四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過Arduino平臺(tái)進(jìn)行編程，對(duì)機(jī)器人的開關(guān)進(jìn)行協(xié)調(diào)，改變?nèi)晃逋姶砰y的工作位協(xié)調(diào)機(jī)器人的行走動(dòng)作[3]。以上對(duì)于機(jī)器人的控制方法在使用測試中均得到了較好的成果，但是以上的控制方法中，對(duì)于精細(xì)移動(dòng)的控制效果較差，因此本文設(shè)計(jì)一種基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法。

1 基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法

1.1 電子氣動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)建模

為了更好地實(shí)現(xiàn)電子氣動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)化控制，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模。本文的控制方法在設(shè)計(jì)過程中，以三軸機(jī)器人為例進(jìn)行研究[4]。首先參照機(jī)器人運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題中常選用的坐標(biāo)系，建立電子氣動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)慣性-速度坐標(biāo)系OXYZ，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)機(jī)器人慣性-速度坐標(biāo)系示意圖

本文所建立的慣性-速度坐標(biāo)系融合了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中涉及到的兩個(gè)坐標(biāo)系，一是氣動(dòng)機(jī)器人在工作過程中的基于大地的慣性坐標(biāo)系，另一個(gè)是基于自身結(jié)構(gòu)的速度坐標(biāo)系。慣性坐標(biāo)系主要是以大地作為參照物，任意選擇大地中的一點(diǎn)作為坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)，OX軸為水平方向，在另一個(gè)速度坐標(biāo)系（OXvYvZv）中，選擇氣動(dòng)機(jī)器人手臂中的精細(xì)控制點(diǎn)作為其坐標(biāo)原點(diǎn)Ov，OvXv的方向與機(jī)器人移動(dòng)方向重合。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中，所受到的空氣阻力與摩擦阻力是不可以被忽略的，這是決定機(jī)器人定位精度的重要影響因素。假設(shè)空氣阻力與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中摩擦阻力的值與氣動(dòng)機(jī)器人速度大小是相關(guān)的，其表達(dá)式如下：

式(1)中，Cd表示氣動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過程中受到的全部外界阻力的綜合系數(shù)，V代表機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的時(shí)速[5,6]。由于機(jī)器人在移動(dòng)過程中的會(huì)受到排斥力和引力的控制，這些外界的力量都是根據(jù)控制任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)而計(jì)算生成的，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，將氣動(dòng)機(jī)器人手臂與控制目標(biāo)點(diǎn)放在地面慣性坐標(biāo)系中，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中三軸分別對(duì)應(yīng)的加速度a1，a2和a3，為了使機(jī)器人能夠在建立的坐標(biāo)系中得到精準(zhǔn)的定位計(jì)算，需要將三軸加速度轉(zhuǎn)化至慣性坐標(biāo)系中。通過坐標(biāo)系之間的變換矩陣，可得下式：

其中，a=[ax，ay，az]表征慣性坐標(biāo)系下的氣動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)加速度。L表示機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的距離長度，?表示運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度，vψ表示機(jī)器人的初始位姿。對(duì)電子氣動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制提供了計(jì)算方面的便利。

1.2 氣動(dòng)機(jī)器人視覺點(diǎn)轉(zhuǎn)換

在氣動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的建立基礎(chǔ)上，為了保證能夠在控制過程中精準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)定位，氣動(dòng)機(jī)器人需要配備可以隨之移動(dòng)的攝像頭。通過攝像頭對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拍照，在控制過程中形成一個(gè)機(jī)器人內(nèi)部的虛擬空間，這個(gè)虛擬空間能夠模擬出機(jī)器人自身和目標(biāo)點(diǎn)的具體位置，在計(jì)算的過程中，機(jī)器人要改變虛擬裝配環(huán)境中的視點(diǎn)位置來控制成像的部分，以此來觀察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中與目標(biāo)點(diǎn)的位置交互。本文在視覺點(diǎn)的轉(zhuǎn)換過程中采用的是投影透視的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的成像，投影的過程如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)機(jī)器人攝像機(jī)成像投影過程

圖2中的投影中心就是氣動(dòng)機(jī)器人所攜帶的攝像頭的位置，該點(diǎn)與機(jī)器人慣性-速度坐標(biāo)系中的不同方向上的運(yùn)動(dòng)分量形成一個(gè)相對(duì)的投影，當(dāng)攝像機(jī)隨著機(jī)器人一同運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于投影中心和窗口中心的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就能夠在坐標(biāo)系中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)視覺點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，對(duì)于機(jī)器人的定位就更加精準(zhǔn)，從一定程度上減少控制誤差。經(jīng)過以上流程搭建的虛擬環(huán)境中，通過機(jī)器人的視覺點(diǎn)拾取計(jì)算出機(jī)器人機(jī)械手臂與目標(biāo)點(diǎn)的距離，并通過反饋實(shí)現(xiàn)虛擬場景中機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)之間的交互來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。

1.3 優(yōu)化PLC技術(shù)的控制方式

PLC即可編程控制器，控制過程中主要是以程序的形式來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)機(jī)器人的控制功能。本文氣動(dòng)機(jī)器人控制的PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC硬件結(jié)構(gòu)

在PLC設(shè)備中，存放PLC的系統(tǒng)中不能缺少相關(guān)的程序，在EPROM中通過編寫控制程序來實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。PLC設(shè)備內(nèi)部擁有數(shù)量眾多的繼電器，為了適配電子氣動(dòng)機(jī)器人的控制，需要對(duì)PLC的選型以及內(nèi)部控制進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到精準(zhǔn)控制的精度。在PLC的內(nèi)部程序中，需要進(jìn)行優(yōu)化才能完成控制任務(wù)，首先確定氣動(dòng)機(jī)器人需要完成的控制任務(wù)，也就是要明確機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)目的和運(yùn)動(dòng)順序，保證在高精度的條件下精準(zhǔn)定位。在程序設(shè)計(jì)中，對(duì)輸入輸出設(shè)備進(jìn)行確定，明確各個(gè)外圍設(shè)備的功能，將傳送信號(hào)和接收信號(hào)的接口進(jìn)行分配。在明確上述的設(shè)備功能之后，按照正確的順序畫出示意圖，并根據(jù)示意圖進(jìn)行編程、調(diào)試。在完成程序設(shè)計(jì)后，要根據(jù)氣動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行選型。

不同的PLC設(shè)備會(huì)根據(jù)CPU的功能不同以及輸出點(diǎn)位的數(shù)量分為不同的類型，本文主要以三軸氣動(dòng)機(jī)器人為例，適配該型號(hào)機(jī)器人的PLC設(shè)備的數(shù)字量有24位輸入和16位輸出。在實(shí)際的機(jī)器人工作時(shí)，將機(jī)器人上電，PLC控制設(shè)備會(huì)將機(jī)器人的三軸迅速調(diào)整至初始位置。在完成上電之后，三個(gè)軸分別復(fù)位，此時(shí)代表一個(gè)任務(wù)的控制周期完成，觸發(fā)三個(gè)軸復(fù)位之后，當(dāng)三軸分別都回歸到各自的位置之后，出現(xiàn)復(fù)位完成的總標(biāo)志位置。在PLC控制中，主要是以程序方式來體現(xiàn)其控制功能，由于其內(nèi)部的繼電器數(shù)量龐大，在內(nèi)存允許的情況下能夠反復(fù)使用。在控制過程中，使用PLC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣動(dòng)機(jī)器人的高精度控制。至此完成基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法。

2 方法測試

2.1 搭建測試環(huán)境

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法具有一定的有效性，在測試過程中，選擇的是型號(hào)為RT79的機(jī)器人本體，并搭配性能適配的伺服系統(tǒng)作為方法性能測試的硬件部分。在測試中，分別使用本文設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法和傳統(tǒng)的基于ARM+DSP的控制方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測試，搭建的整體實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)機(jī)器人控制測試裝置

在圖4所示的裝置連接中，利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線作為控制過程中的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，且相關(guān)的應(yīng)用層遵循的是CANopen標(biāo)準(zhǔn)。除了上圖所示的儀器外，還增加了六維力傳感器模塊，對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)讀取的平均速率能夠達(dá)到1kHz。在本文控制方法的測試過程中，首先需要設(shè)置8ms作為PLC技術(shù)的任務(wù)周期，再次讀取任務(wù)與數(shù)據(jù)，反復(fù)循環(huán)該控制流程，以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。實(shí)驗(yàn)裝置中的部分參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)

在機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置機(jī)器人在控制任務(wù)中所持的精細(xì)工具為螺栓，目的是將所持螺栓準(zhǔn)確放置于插孔目標(biāo)板材提前預(yù)置的空中。運(yùn)動(dòng)過程中要將PLC控制器中所帶的非實(shí)時(shí)通信接口初始化，啟動(dòng)控制狀態(tài)后，控制機(jī)器人手臂以預(yù)先規(guī)劃好的路線和速度移動(dòng)到示教盒所示的拍照位置，并啟動(dòng)實(shí)時(shí)拍照，將拍照得到的圖像傳輸至PC段，利用PC端的機(jī)器視覺處理軟件建立出虛擬空間模型，機(jī)器人在移動(dòng)過程中能夠在虛擬空間與目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行交互，得到與目標(biāo)點(diǎn)距離的實(shí)時(shí)反饋?？刂茩C(jī)器人移動(dòng)到目標(biāo)所示的位姿，并在目標(biāo)插孔的位姿Z軸設(shè)置150mm的移動(dòng)分量，在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)之后，啟動(dòng)并激活實(shí)時(shí)任務(wù)接口，解除任務(wù)阻塞，即完成螺栓插口。當(dāng)螺栓插孔結(jié)束之后，機(jī)器人直線離開插孔，返回到原始的位置。

在以上的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)本文控制方法的螺栓打孔控制定位精度進(jìn)行測試，在實(shí)際的機(jī)器人運(yùn)行過程中，機(jī)器人傳動(dòng)設(shè)備的安裝、運(yùn)動(dòng)、自身結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)打孔的精度有一定的影響。機(jī)器人的定位精度控制一般選擇對(duì)Z軸進(jìn)行測試，在Z軸的末端安裝測試螺栓，控制機(jī)器人多次向工作面中的插孔目標(biāo)板材上安裝螺栓。設(shè)置機(jī)器人重復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，到插孔目標(biāo)板材上的同一點(diǎn)來安裝螺栓，并統(tǒng)計(jì)多次定位的誤差。為了驗(yàn)證本文方法的有效性，在相同實(shí)驗(yàn)裝置上搭載傳統(tǒng)的基于ARM+DSP的控制方法進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

在實(shí)驗(yàn)測試中，機(jī)器人在不同控制環(huán)節(jié)的位姿如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)器人的不同位姿

圖5中，圖5(a)為機(jī)器人的初始位姿，圖5(b)為機(jī)器人對(duì)插孔目標(biāo)板材上目標(biāo)孔的拍照點(diǎn)位姿，圖5(c)表示力控開始的位姿，圖5(d)表示螺栓接觸插孔目標(biāo)板材，圖5(e)表示力控插孔，圖5(f)表示螺栓插孔結(jié)束，機(jī)器人停止工作。反復(fù)經(jīng)過多次測試，得到兩種控制方法下，螺栓與插孔目標(biāo)板材的接觸點(diǎn)與孔位圓心的距離統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 螺栓與插孔目標(biāo)板材的接觸點(diǎn)與孔位圓心的距離統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在正常的插孔目標(biāo)板材插孔操作中，允許的螺栓與插孔目標(biāo)板材的接觸點(diǎn)與孔位圓心的距離最大為0.2mm，從表2中的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的控制方法與傳統(tǒng)的控制方法都符合控制精準(zhǔn)度的要求，但是可以明顯看出，本文的控制方法在多次實(shí)驗(yàn)中，平均的螺栓與插孔目標(biāo)板材的接觸點(diǎn)與孔位圓心的距離為0.032mm，傳統(tǒng)的基于ARM+DSP的控制方法的平均距離為0.126mm。綜上所述，在本文設(shè)計(jì)的控制方法下，螺栓與插孔目標(biāo)板材的接觸點(diǎn)與孔位圓心的距離明顯縮小，且距離相對(duì)穩(wěn)定。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法在定位精度方面的性能與傳統(tǒng)控制方法相比，具有一定的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展下，工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化結(jié)合已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制過程中的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于PLC技術(shù)的電子氣動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化控制方法。建立電子氣動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)慣性-速度坐標(biāo)系，計(jì)算運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦和空氣阻力，經(jīng)過坐標(biāo)系變換進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，通過不斷轉(zhuǎn)換機(jī)器人的視覺點(diǎn)構(gòu)建內(nèi)部的虛擬場景，精確定位目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)交互，調(diào)整PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)機(jī)器人相匹配，優(yōu)化了控制流程，實(shí)現(xiàn)高精度的定點(diǎn)和精細(xì)控制。本文設(shè)計(jì)的控制方法在實(shí)驗(yàn)室性能測試中取得了良好的效果，但是想要在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中得到推廣，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。