新一代多自由度工業機械臂DCS系統設計

崔 凌，曹福凱

（1.衡水學院，衡水 053000；2.華北理工大學，唐山 063210）

0 引言

DCS系統是當前制造業中，應用最多的分布式控制系統。其中，多自由度工業機械臂在DCS的應用越來越多。在危險與惡劣的工業環境中，只能由機械臂代替工作人員，完成相應的操作，為確保機械臂順利完成工作，需精準完成遠程控制端的DCS系統交互[1]。合理通過DCS系統控制機械臂，既能夠降低人員成本，還能夠降低工作風險。

相關的新一代控制系統設計思路一直是研究的熱門問題。陳玲玲等人設計機械臂異步控制系統，通過濾波器分析法識別目標，采用投票策略與差值預測窗口，完成機械臂的調節，通過偽密鑰異步控制機械臂；該系統可有效控制機械臂，機械臂控制速率較快[2]。屈海軍等人設計冗余機械臂控制系統，利用拉格朗日函數，建立機械臂扭矩和連桿的關系模型，依據二型模糊集設計PID控制器，通過遺傳算法優化控制器參數，利用優化后的控制器完成機械臂控制；該系統可有效降低控制誤差[3]。但上述兩個典型的控制系統均無法確保信息傳輸的高效性與可靠性，影響機械臂遠程控制效果和控制精度。網絡通信可確保信息傳輸延時的有界性，提升信息傳輸可靠性，完成信息的高效傳輸。

為此本文設計基于網格通信的新一代多自由度工業機械臂DCS系統，精準自動化控制機械臂。

1 新一代多自由度工業機械臂DCS控制系統設計

新一代DCS系統以網絡通信為連接通道，建立多自由度工業機械臂自動化控制模塊。該系統主要包含客戶端、網絡通信模塊與現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等組成，其結構框架如圖1所示。

圖1 新一代系統結構框架

客戶端具備瀏覽與操作等功能，利用瀏覽設備為用戶提供多自由度工業機械臂圖像與聲音等信息，用于也可通過瀏覽設備輸入多自由度工業機械臂的操作指令，通過操作桿將操作指令傳輸至無線通信模塊。

無線通信模塊是整個系統的信息傳輸模塊，負責將操作指令傳輸至服務器，同時將多自由度工業機械臂現場操作信息傳輸至客戶端，該模塊中設計了緩沖器，用于確保信息傳輸的連續性，減少網絡時延。

服務器接收操作指令后，負責激活FPGA運動控制器，并開啟視頻監視器，實現與多自由度工業機械臂服務器間的通信，傳輸操作指令后，經由無線通信模塊將反饋結果傳輸至客戶端；服務器同時還需要維持用戶隊列，合理分配控制權。

FPGA運動控制器被激活接收操作指令后，利用數據采集模塊提取操作指令所需的視頻監視信息[4]，運動學逆解模塊依據提取的信息與操作指令，獲取多自由度工業機械臂各關節的關節位移，軌跡規劃模塊利用基于拋物線過渡的線性插值法，按照關節位移規劃多自由工業機械臂運動軌跡，脈沖調速模塊依據伺服控制箱，為機械臂調制不同的驅動脈沖序列，伺服控制箱按照驅動脈沖序列與運動軌跡數據，精準控制多自由度工業機械臂內的驅動器，確保機械臂關節平穩運轉，編碼器反饋模塊負責提取多自由度機械臂關節運轉反饋信息，并傳輸至服務器。

1.1 多自由度工業機械臂的客戶端與服務器

多自由度工業機械臂自動化控制系統中客戶端的程序框圖如圖2所示。

圖2 客戶端的程序框圖

客戶端中主線程啟動后，將多自由度工業機械臂操作指令傳輸至服務器，操作指令允許后，初始化客戶端，等待接收多自由度工業機械臂運動軌跡軌跡規劃結果，處理運動學逆解模塊與軌跡規劃模塊，依據操作指令生成機械臂關節運動軌跡，獲取軌跡點序列，按照事件觸發方式，依次經過客戶網絡傳輸單元將軌跡點序列傳輸至服務器[5]，接收操作指令返回值后，分析軌跡點序列的完成程度，并以同樣的方式啟動查詢單元，接收狀態數據，網絡延時補償單元按照同樣的方式，選擇新的延時數據完成延遲補償，實現網絡遠程閉環控制。

多自由度工業機械臂自動化控制系統中服務器的程序框圖如圖3所示。

圖3 服務器的程序框圖

服務器中主線程啟動后，等待客戶端的連接請求，當客戶端發送操作多自由度工業機械臂指令后，初始化服務器，并等待操作指令到達，服務器網絡傳輸單元按照事件驅動方式，翻譯接收的操作指令，獲取底層控制函數的GT指令集，用于驅動多自由度工業機械臂驅動器，查詢單元以同樣的方式，查看多自由度工業機械臂各關節的狀態，按照時間驅動方式分配狀態信息，分配至服務器網絡傳輸單元與用戶界面。服務器具備完成執行器的作用。

1.2 DCS系統中的網絡通信模塊

新一代多自由度工業機械臂DCS控制系統中網絡通信模塊至關重要，負責整個系統的信息傳輸，網絡通信模塊中利用CC2630芯片控制網絡節點的處理操作與任務管理等，利用射頻芯片延長多自由工業機械臂相關數據傳輸距離，電源單元負責為網絡通信模塊提供電源，經由電壓轉換器單元變更成網絡節點所需的電壓，通過串口單元為網絡通信模塊提供連接客戶端與服務器的通信接口，利用LCD呈現網絡節點狀態，由LED出現網絡連接狀態，通過緩沖器確保任意時間延遲相同，縮短網絡延遲，其結構如圖4所示。

圖4 網絡通信模塊結構圖

在網絡通信模塊內設計校驗函數，確保服務器和客戶端間的安全連接，設計指令排序函數確保操作指令按照順序操作，實時修正網絡傳輸超時，設計容錯函數確保多自由度工業機械臂相關數據傳輸的可靠性，設計同步時間函數確保線程的同步操作。

1.3 多自由度工業機械臂軌跡規劃關鍵技術設計

利用基于拋物線過渡的線性插值法，規劃多自由工業機械臂關節軌跡。令多自由度工業機械臂關節啟動的初始時間是t0，結束時間是tb，中間時間是th，因此，，多自由度工業機械臂關節的初始位置是r0，結束位置是rb，關節位移中間位置是rh，r0、rb、rh均由運動學解逆模塊獲取，同時rh需符合。令由初始時刻拋物線區域轉移至中間直線區域的時間是ta，由中間直線區域轉移至結束拋物線的時間是tb-a，設定初始拋物線與結束拋物線屬于對稱關系，且兩條拋物線加速度相同，符合是正負關系。令加速度絕對值是a，拋物線區域維持時間一致，即ta=tb-a，根據勻加速運動學思想得知，多自由度工業機械臂關節運動初始階段，在ta時，多自由度工業機械臂關節位移如下：

式(1)的一階、二階導數獲取初始拋物線區域的角速度vta=ata與角加速度ata=a。

中間直線區域的多自由度工業機械臂關節角速度為恒定的，且該速度即初始區域最終時間的速度，如式(2)所示：

令初始拋物線區域最終速度和直線區域速度相同，可確保拋物線區域與直線區域間的連接較為平滑，因此需符合的要求如式(3)所示：

在式(3)內添加r0、rb、rh，獲取自變量是ta的方程at2a+rb=atatb+r0，拋物線區域內的加速度是a，且a是固定的，對at2a+rb=atatb+r0展開解的分析獲取Δ=a2t2a－4arb+4ar0，為確保Δ=a2t2b－4arb+4ar0存在實根，即Δ≥0，解需符合。因為Δ＞0，Δ=a2t2b-4arb+4ar0存在兩個不等實根，所以兩端拋物線的中間線性插值的關節軌跡規劃包含兩種情況，兩種情況的多自由度工業機械臂軌跡規劃結果雖不同，但軌跡規劃曲線均與th對稱，且rh在t0～tb范圍中，求解多自由度工業機械臂關節空間的軌跡規劃函數分段函數，在0≤t≤ta情況下，分段函數如式(4)所示：

在ta≤t≤tb-a情況下，分段函數如式(5)所示：

在tb-a≤t≤tb情況下，分段函數如式(6)所示：

利用拋物線的時間位移方式，處理多自由度工業機械臂關節初始運動與結束運動時刻，通過直線時間位移方式，處理多自由度工業機械臂關節運動中間區域，可確保關節運轉時非常平穩。

2 實驗分析

以五自由度工業機械臂為實驗對象，利用本文設計的DCS系統自動化控制該機械臂，分析本文系統自動化控制機械臂的效果。設計五自由度工業機械臂完成目標接近、吸住、轉移與放下的操作，驗證本文系統是否可自動化控制該五自由度工業機械臂完成這一系列操作，驗證結果如圖5所示。

圖5 五自由度工業機械臂自動化控制結果

分析圖5可知，本文系統可有效自動化控制五自由度工業機械臂，第一步完成接近目標操作，第二步完成吸住目標的操作，第三步完成目標轉移操作，第四步完成放下目標的操作，同時每一步操作均與事先設定的操作一致。實驗證明：本文系統可精準自動化控制多自由度工業機械臂。

分析本文系統自動化控制五自由度工業機械臂軌跡規劃效果，指定運動軌跡圖像如圖6所示。

圖6 指定運動軌跡圖像

本文系統自動化控制五自由度工業機械臂各關節運動軌跡規劃效果如圖7所示，各關節角速度曲線與角加速度曲線如圖8所示。

圖7 各關節運動軌跡規劃效果

圖8 各關節速度變化曲線

綜合分析圖7與圖8可知，本文系統可有效規劃該機械臂關節的運動軌跡，對比圖7可知，本文系統規劃的運動軌跡與設定軌跡基本相同，說明本文系統具備較優的運動軌跡規劃效果，運動軌跡規劃效果好，則機械臂自動化控制精度便高；本文系統自動化控制該機械臂時，各關節的角速度曲線與角加速度曲線均變化平穩，無顯著的突變，說明該機械臂自動化控制效果較優。實驗證明：本文系統自動化控制多自由度機械臂時的軌跡規劃效果較優，且各關節角速度與角加速度曲線變化平穩，具備較優的自動化控制效果。本文系統在規劃圖7軌跡時，共包含20個目標點，25段軌跡，分析本文系統自動化控制該機械臂時各段軌跡的運行速度、位置誤差與軌跡規劃效果，并以文獻[2]的機械臂控制系統與文獻[3]的冗余自由度機械臂運動控制系統為對比系統，三個系統的對比結果如表1所示，以前15段軌跡為例。

表1 機械臂控制的對比結果

分析表1可知，本文系統控制機械臂的運行時間比文獻[3]系統短，本文系統的軌跡規劃誤差明顯低于其余兩個系統，且軌跡規劃曲線均為連續、平滑，文獻[2]系統的運行時間雖然最短，但其軌跡規劃誤差最大，且大部分軌跡規劃曲線為有停頓與抖動，其機械臂控制效果較差，文獻[3]系統的軌跡規劃誤差相對較小，但運行時間較長，且軌跡規劃曲線中存在少量的有停頓與抖動的曲線；綜合分析可知，本文系統控制機械臂的時間較短，且軌跡規劃誤差小，軌跡規劃曲線連續、平滑，即機械臂控制效果最佳。以系統通信時通信誤碼元作為衡量本文系統通信性能指標，通信誤碼元越低，系統通信性能越佳，通信誤碼元閾值為100。分析本文系統在不同網絡覆蓋度時的通信誤碼元，結果如圖9所示。

圖9 系統運行穩定性測試結果

分析圖9可知，隨著網絡覆蓋度的提升，本文系統的通信誤碼元逐漸降低，當網絡覆蓋度達到6dB時，通信誤碼元已接近0bit，并趨于穩定，最高通信誤碼元在90bit左右，并未超過通信誤碼元閾值。實驗證明：本文系統自動化控制多自由度機械臂時的通信性能較優。

3 結語

網絡技術的發展，促使利用互聯網完成遠程控制成為現實，延長了控制系統的控制距離。為此設計基于網絡通信的多自由度工業機械臂自動化控制系統，實現機械臂的遠程自動化控制，在惡劣工業環境中，可實現由多自由度工業機械臂代替人工操作，確保工作人員的生命安全。