王熙杰

摘要：針對人工清潔車輛效率低的問題，將洗車機器人引入機車清潔過程中，其中運動控制功能由工業(yè)機械臂實現(xiàn)。通過電機驅(qū)動器和Profinet 協(xié)議實現(xiàn)通信功能，控制電機位置參數(shù)及運動速度，準確識別機械臂末端位置。開展機械臂運動控制系統(tǒng)硬件及軟件設計，其中自動化洗車運動控制系統(tǒng)選用的控制器芯片型號為STM32F407ZET6，并采用CH340G 芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。該系統(tǒng)設計對提高自動化機車清洗效率具有一定的支持作用。

關鍵詞：洗車機器人；運動控制系統(tǒng)；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A

0 引言

經(jīng)長期使用，機車車頭、內(nèi)飾及車身表面必然會累積各種污染物，包括油污、灰塵等，所以定期清潔機車十分有必要[1-2]。從現(xiàn)有機車清潔方式來看，普遍應用人工清潔車輛的方式實現(xiàn)清潔目的。該方法具有較大的管理難度，實際工作效率也較低；從技術(shù)能力方面考慮，不同洗車人員之間存在的差異較大，針對同種車輛難以保證一致的清潔效果，特別是清潔難度較大的車頂區(qū)域[3-4]。針對上述問題，相關學者研究制定了高效的機車清潔方案，以多軸工業(yè)機械臂作為技術(shù)支撐，在機械臂尾部安裝清潔設備和攝像頭。其中，數(shù)據(jù)采集功能由攝像頭完成，清潔功能則需控制機械臂運動實現(xiàn)。對構(gòu)建的機車三維模型的清潔模式進行測試，發(fā)現(xiàn)各種車型清潔效果都表現(xiàn)良好，水量消耗變少，洗車場人力成本顯著降低，清洗效率也得到提升[5-6]。

針對人工清潔車輛效率低的問題，本文將洗車機器人引入機車清潔過程中，運動控制功能由工業(yè)機械臂實現(xiàn)。

1 自動化洗車運動控制系統(tǒng)設計

將洗車機器人的機械臂用于機車車頭外表面清洗。該機器人主要由視覺信號處理系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)組成，機器人作業(yè)整體運動控制系統(tǒng)如圖1 所示。安裝在多軸機械臂末端的傳感器對機頭輪廓完成掃描后，在上位機完成車頭點云的拼接，將處理后的坐標數(shù)據(jù)發(fā)送給機械臂控制器，再將坐標數(shù)據(jù)解析成機械臂各軸旋轉(zhuǎn)角并生成相應報文，通過Profinet 通信協(xié)議把該報文發(fā)送至驅(qū)動器，驅(qū)動機械臂完成相應清洗動作。

2 機械臂運動控制系統(tǒng)設計

本文選取的研究對象為KUKA 工業(yè)機器人，型號為VKRC2 2005 版， 其機械臂供電方式為400 V 三相交流電，總重量達190 kg，控制精度可達0.5 mm。將3 個旋轉(zhuǎn)控制關節(jié)設置在此機械臂中，該機器人照片和結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。運動控制系統(tǒng)共分為兩個部分：一是由下位機處理程序與上位機界面程序構(gòu)成的軟件程序；二是內(nèi)嵌最小運行系統(tǒng)、總線通信模塊及嵌入型微控制器的硬件運動控制系統(tǒng)。

運動控制功能由工業(yè)機械臂實現(xiàn)，通過電機驅(qū)動器和Profinet 協(xié)議可實現(xiàn)此模塊的通信功能，控制電機位置參數(shù)及運動速度需使用111 報文完成，從而準確識別機械臂末端位置，同時各報文數(shù)據(jù)均可實時接收，并在上位機中顯示各軸旋轉(zhuǎn)角及相關數(shù)據(jù)。定位功能、機頭輪廓測試及機械臂運動控制等功能都包含在上位機中，其可以完成對機頭輪廓清洗路徑的設定、關節(jié)點運動信息的傳輸、機車位置數(shù)據(jù)的處理和機頭輪廓的測試以及機械臂運行狀態(tài)的高效監(jiān)控[7]。

單目攝像頭內(nèi)嵌于機器人運動控制系統(tǒng)中的機械臂尾部[8]，因而在掃描機頭輪廓時，可以實現(xiàn)高效掃描。自動化洗車工作流程如圖3 所示，首先規(guī)劃洗車具體路徑，并向下位機傳輸路徑對應的坐標數(shù)據(jù)；其次參考坐標數(shù)據(jù)對各軸旋轉(zhuǎn)角進行逆運動學計算；最后將解析獲得的111 報文發(fā)送給驅(qū)動器。

3 硬件設計

運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由電機驅(qū)動器發(fā)送報文數(shù)據(jù)，電機實際運行情況可通過驅(qū)動器的反饋信息進行判斷。利用Profinet 協(xié)議構(gòu)建通信模塊與驅(qū)動器之間的聯(lián)系，單個電機的運行控制由對應驅(qū)動器實現(xiàn)。

為確保機器人作業(yè)正常，對于控制器芯片的要求較高，需滿足運行狀態(tài)穩(wěn)定、浮點數(shù)據(jù)運行性能佳、運算速率高效等條件[9]。本次選用的自動化洗車運動控制系統(tǒng)的控制器芯片型號為STM32F407ZET6，整體性能比之前的芯片產(chǎn)品更優(yōu)，還可有效控制制造成本，完全滿足機器人作業(yè)系統(tǒng)應用需求。

4 軟件設計

4.1 電源及串口通信電路

如圖5 所示， 二路電源輸入在控制器芯片中，K1 開關與保險管F1 連接VUSB， 將U4-AMS1117-3.3芯片輸入，并輸出直流3.3 V 電壓，同時對STM32F407ZET6 控制器芯片供電。將VOUT與VUSB 連接， 直流電壓輸出值為5 V，3.3 V電壓在供電狀態(tài)下即可獲取，供電設備可選取相應適配器，通過USB 可實現(xiàn)在低功耗狀態(tài)完成供電。

通常情況下少量數(shù)據(jù)就能使下位機和上位機實現(xiàn)速度調(diào)控、電機運行開關控制等通信控制，所以在實際通信時將RS232 接口作為首選。但目前筆記本電腦中幾乎不再配置RS232 接口，串口信號到USB 信號之間的轉(zhuǎn)變可采用CH340G 芯片實現(xiàn)，上位機與下位機間僅需一根USB 線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。

4.2 上位機與下位機通信

實際作業(yè)中機器人數(shù)據(jù)通信時，首先，其上位機機械臂末端位置設定之前需執(zhí)行運動控制命令，下位機接收上述數(shù)據(jù)后解析具體命令；其次，各機械臂運動軸的旋轉(zhuǎn)角采取機器人逆運動學方程完成計算，旋轉(zhuǎn)角取值范圍如表1 所示；再次，向驅(qū)動器傳輸上述數(shù)據(jù)；最后，將驅(qū)動器發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)進行接收，向上位機傳輸機械臂各軸關節(jié)角相關數(shù)據(jù)。

計算機向運動控制系統(tǒng)發(fā)送操控命令，為保證高效傳輸和交換控制命令、數(shù)據(jù)等各項參數(shù)，構(gòu)建的通信協(xié)議需得到微控制器和計算機的支持。微控制器和計算機在處理數(shù)據(jù)時要求數(shù)據(jù)格式必須為二進制，以此為標準采用下位機控制對計算機輸出二進制信息進行準確解析，機械臂各項參數(shù)及實際運動狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過機械臂控制功能來獲取，計算機上位機程序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)果需嚴格依據(jù)協(xié)議標準進行轉(zhuǎn)換?？刂茙鳛橐环N命令參數(shù)與坐標由計算機程序生成，并需向下位機系統(tǒng)進行傳輸。電機運動狀態(tài)控制參數(shù)和多個控制指令均包含在通信協(xié)議中，機械臂自動化洗車效率容易因協(xié)議質(zhì)量水平的變化而受影響。

5 結(jié)論

針對機車清潔出現(xiàn)的相關問題，本文開展機器人機械臂運動控制系統(tǒng)的硬件及軟件設計，得出以下3 點結(jié)論。

（1）自動洗車運動控制功能由機械臂實現(xiàn)，通過電機驅(qū)動器和Profinet 協(xié)議實現(xiàn)通信功能，控制電機位置參數(shù)及運動速度，準確識別機械臂末端位置。

（2）選用的自動化洗車運動控制系統(tǒng)的控制器芯片型號為STM32F407ZET6，整體性能比之前的芯片產(chǎn)品更優(yōu)，可有效控制制造成本。

（3）采用CH340G 芯片實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變，上位機與下位機間僅需一根USB 線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能?？蓪Ⅱ?qū)動器發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)進行接收，并向上位機傳輸機械臂各軸關節(jié)角相關數(shù)據(jù)。

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