搬運機器人控制系統的設計＊

盧 鑫，郭 婷，譚越洋

（深圳信息職業技術學院，廣東 深圳 518000）

機器人是現代化建設不斷加快下的產物，其最初便是應用于工業方面，因而工業機器人的發展最為迅速。就目前而言，工業發展也不斷地趨向于自動化，而搬運機器人的研究應用則對其自動化發展有著促進作用，同時也是工業方面先進技術的重要內容。很多國家對于搬運機器人的研究都十分重視，同時在長期的發展過程中也已經取得了一定的成就。以日本、美國等發達國家為例，其在搬運機器人方面的研究已經較為深入，同時不同類型的工業機器人也被廣泛地應用于食品加工和包裝、機械制造等領域。相關研究表明，工業機器人的應用仍向著更為廣闊的領域發展，同時其也能很大程度上改變工業生產及生活方式，由此來提高人們的生產效率，也為工業化發展提供了動力?？傮w而言，搬運機器人在工業化發展中的應用起到了很好的效果，其有效提高了工業生產效率，同時也有利于精確化生產。隨著工業發展自動化趨勢不斷加快，搬運機器人的研究改進也必將更為深入，由此也將實現工業生產的整體變革。

1 研究背景

1.1 研究意義

經由上述內容可知，搬運機器人已然成為工業自動化發展的重要內容，因而對于搬運機器人控制系統設計的研究十分重要。搬運機器人實質上是一種新型搬運裝置，其融合自動化技術被廣泛應用于工業自動生產線中，不僅加快了工業生產的效率，同時也避免了由人工操作所引起的操作失誤問題。一般地，搬運機器人所進行的工作往往具有重復性及連續性的特點，同時其也能夠從事一些危險工作，由此也減少了工業生產事故的發生。由此可見，搬運機器人在工業領域的應用確實有著較好的效果，同時其多方面的優勢也決定了其良好的發展前景。當前搬運機器人的研究仍在不斷深入，且開始開發新的功能，旨在基于重復連續工作的基礎上，能夠使之完成其他一系列的工業操作，為工業生產自動化發展提供堅實的基礎?？傮w來看，搬運機器人的應用對于提高工業生產效率、改善產品質量都有著很大的幫助，這也能最大化地提高企業的市場競爭力。因而對于工業生產自動化中搬運機器人系統的設計研究有著十分重要的意義。

1.2 國內外發展現狀

機器人的研究發展已有較長的歷程，第一臺工業機器人于20世紀60年代便已研發，自此，很多工業發達的國家開始了對工業機器人漫長的研究。搬運機器人作為工業機器人的重要分支，其主要是用于完成各類作業任務，同時也融入了一定的智能化及適應性，因而可以準確地在一些嚴峻的環境中完成難度較大的作業。當前國外對于搬運機器人的研究十分重視，如美國和日本，搬運機器人控制系統的設計更是十分先進，美國的機器人技術也處于國際領先地位，日本的機器人數量及種類則為世界之最。在中國，工業機器人的相關研究也都在進行，但對于一些中小型企業而言，由于搬運機器人相關技術含量及生產成本都比較高，導致其無法耗費巨大的成本投入到搬運機器人的使用，因而搬運機器人的使用范圍受到了很大的限制。但在后續的發展中，受到企業經濟結構調整以及產業優化的影響，搬運機器人的應用有所推廣，同時諸多企業利用機器人代替人工操作，也取得了一定的成效。從整體上來看，中國搬運機器人的發展較為迅速，但與發達國家相比，還有著不小的差距。

1.3 研究內容

本文重點研究內容即為搬運機器人控制系統的設計，在此過程中，基于計算機技術的快速發展，研究了開放式的控制系統，該系統也是未來搬運機器人控制系統的發展趨勢。同時結合搬運機器人的動力學進行分析，從而更為有效地促進搬運機器人設計的轉型升級。

2 搬運機器人動力學分析

2.1 機器人總體結構

搬運機器人的設計應用了諸多方面的先進技術，如力學、自動控制技術、單片機技術以及計算機技術。對于搬運機器人而言，其有著諸多方面的應用優勢，由于機器人自身結構及性能方面逐漸向著智能化方向發展，因而其適應性也在不斷增強，能夠廣泛地應用于各個方面。目前搬運機器人主要由3部分組成，分別是執行機構、驅動機構以及控制機構。搬運機器人的手部設計較為特殊，其多為回轉型或是平動型，其一般根據需要設計為外抓式或是內抓式[1]。而對于其腕部而言，往往是采用直接驅動的方式進行，同時在設計的過程中也要注意其緊湊性，主要是由于腕部需要安裝驅動源，緊湊的結構更有利于安裝。此外，還有一些研究將機器人分為5部分，分別為機械本體、控制系統、傳感器、驅動器以及輸入輸出系統，這樣的結構劃分也是依據其各部分機能進行的。傳感器則是機器人的核心所在，其能夠根據自身所處的環境來下達指令信號，控制機器人的行動，從而更好地完成各方面工作。

2.2 搬運機器人動力學分析

對于搬運機器人控制系統而言，其定位的準確度及穩定性很大程度上受到角加速度的慣量項和重力項的影響，因而當搬運機器人的運動速度過快時，其所受到的科氏力與向心力便會對機器人動力學產生較大的影響。對于模塊化輕載搬運機器人動力學的研究而言，在實際工作過程中S、L關節的轉動相對較為緩慢，這也有效減小了科氏力與向心力對機器人系統的影響，甚至可以將之忽略不計。但需要注意的是，此時搬運機器人上部分的小臂以及腕關節的轉動速度相對較快，因而并不能忽略科氏力以及向心力對機器人系統的影響[2]。當S、L、U關節質量相對較小時，其所產生的慣量也較小，此時便需要重點分析向心力及科氏力的作用?？傮w而言，通過對影響機器人動力學系統因素的分析，可以對搬運機器人各個關節的力矩進行簡化，在此過程中也可以進一步深入分析其力矩公式，由此方便動力學研究的進行。

3 搬運機器人控制系統硬件結構的設計分析

關于搬運機器人控制系統的硬件結構設計，其主要通過嵌入式控制器的使用，將主控制器與操作系統相結合，利用符合條件的PLC軟件，在支持多種編程語言的基礎上設計多個PLC任務，以此滿足搬運機器人控制系統的硬件結構設計。針對搬運機器人控制系統的設計，其主要運用到一個軟件PLC以及對應的2個任務。通過總線將嵌入式PLC、模擬量采集模塊、數字采集模塊、激光雷達以及電機驅動模塊進行有效連接。

在傳感器系統中，主要選擇符合系統的激光雷達進行機器人搬運物體的外形檢測以及位置檢測。其雷達的探測扇形區域應約為190°，對應扇形的掃描區域的掃描線之間應保持θ=0.36°，實際的探測距離應約為50 m。與此同時激光雷達必須達到每隔20 ms便進行一次掃描。由此掃描得到的數據則包含有一定準確性的角度值和距離值，數據則能夠通過總線傳輸給主控制器。而針對當前的搬運機器人控制系統設計，在激光雷達的運用中具有一定的局限性，激光雷達只能夠檢測到機器人的前方一定高度的物體，但對于地面的情況無法深入檢測。對此情況，則通過光電傳感器的設計滿足搬運機器人行動過程中對于地面情況的檢測。即在搬運機器人的地盤前后左右處各安裝一組光電傳感器，以此全面對地面情況進行檢測。光電傳感器能夠輸出較高的電平，再通過繼電器的利用進行一定的轉換，進而將光電信號向開關信號進行轉換，從而連接到數字量的輸入模塊。

在搬運機器人的控制系統硬件設計中，無法避免機械加工以及裝配生產所帶來的誤差，即在機器人行走的過程中常常會偏離正確的預測方向，因此為了充分降低機器人行走方向誤差的產生，在搬運機器人的設計中增加了數字羅盤模塊，其通過磁傳感器中的X、Y軸同時感應到磁分量，并且準確計算對應的方位角度，以此完成搬運機器人的預測方向校準。數字羅盤主要是與控制系統的控制器相連信，在機器人遇到轉彎情況時，數字羅盤能夠檢測出一定的角度來保證搬運機器人的行走方向是準確的[3]。

與此同時，在搬運機器人的控制系統設計過程中，對于搬運機器人的搬運路線、方向進行確定的同時，還應滿足搬運機器人對于搬運物體的搬運力度控制，保證搬運機器人在搬運物體的過程中不會對物體造成損害。以此則要求在搬運機器人的機械手指內部安裝壓力應變片，通過壓力應變片能夠有效讀取搬運機器人所抓取的物體的力度，從而保證搬運機器人在物體的抓取過程中不會損壞物體。其對應的壓力應變片應與其他對應的電阻形成橋式電路，與對應的芯片構成簡單的儀表放大器。將相關讀取到的信號數據進行放大處理，以此傳遞到模擬量采集模塊，對應電路主要由兩級相對差分的放大電路構成，具有高共模擬制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差以及設置靈活等特點。

除此之外，在搬運機器人的控制系統硬件設計過程中，控制系統以及傳感器系統的設計具有一定性，但同時也應保證搬運機器人控制系統中的電機驅動系統設計的一定性。電機驅動系統是搬運機器人進行一系列搬運工作程序的基礎，也是搬運機器人順利開展工作的關鍵。搬運機器人的電機驅動系統主要運用到了驅動電機，因此對于驅動電機的選擇至關重要。在搬運機器人的控制系統設計過程中，應在驅動電機的工作運用基礎上進行其他關鍵位置的設計，其中包括底盤輪子、手臂升降同步帶的設計。

在搬運機器人的控制系統設計過程中，其在對應的機器人底盤上應安裝有4個全向輪以及4個直流伺服電機，4個直流伺服電機在經過了減速機進行了有效減速后會與底盤的4個輪子相連接。其中搬運機器人的手臂升降以及機械手的張合都能夠由直流伺服電機進行驅動[4]。關于搬運機器人的驅動電機，其主要是一種關于模塊化的伺服驅動器能夠有效通過利用速度環和位置環的PI控制，提高電機驅動系統的響應速度，并且能夠在其搬運機器人受到負載的擾動時進行快速地恢復工作，進而保證搬運機器人的搬運過程穩定。同時，運用在搬運機器人機械手上的伺服電機都必須處在一定的工作位置模式，其依靠升降同步帶的控制，利用升降同步帶以及控制機械手的驅動伺服電機，能夠有效保證搬運機器人的手臂升降高度以及搬運機器人的機械手力度都在一定滿意的控制程度。

4 搬運機器人控制系統軟件設計與實現

對于搬運機器人控制系統軟件而言，其很大程度上決定著機器人的整體控制。軟件系統主要包括物體探測子程序、主程序以及抓取子程序等，在程序的編寫過程中，需要符合標準結構文本語言，由此才能發揮其應有的效果。此外，嵌入式軟件PLC可以進行多個任務的劃分，其經掃描所得到的數據量也比較大，為了有效保證程序的運行效率，需要將物體探測子程序作為任務執行，而其他的子程序或是主程序都作為另一個任務進行運行。例如在搬運機器人初步執行了硬件初始化后，其手臂將會上升到待抓取位置，有效地采集手指的壓力傳感器信號，并將之作為測量的參考值。之后便可以進入到探測子程序。同時由于激光雷達的安裝位置較為特殊，其測量范圍往往會被限制，因而所截取的有效探測數據往往為20°～170°。進行相應的計算也能判定物體為待抓取的目標物體[5]。由此可見，在探測到物體的位置之后，也需要進行其他參數的設置，幫助調整機器人手臂的方向，同時使物體位于手臂的正前方。此后則需要調整機器人與物體間的距離，將機械手放于物體正上方。此時便可以進行抓取，同時其壓力變片也可以測得壓力，反映出是否抓牢。最后搬運機器人抓取物體并升起手臂，將物體放置于指定地點放下。

5 結束語

本文中針對搬運機器人控制系統設計進行了深入的分析研究，在此過程中，重點分析了搬運機器人動力學、搬運機器人控制系統的硬件設計以及控制系統軟件設計。在對應搬運機器人控制系統的設計過程中，應將PLC軟件作為核心準備，集成光電傳感器、激光雷達、數字羅盤模塊、壓力檢測模塊以及電機驅動模塊，利用對應軟件程序的控制，以此充分實現搬運機器人對搬運目標物的實際探測和搬運。利用PLC軟件為核心的控制系統具有較強的穩定性，將有效減少系統死機以及程序紊亂等現象的發生。其中，關于激光雷達以及光電傳感器的應用更能夠保證其數據的精確程度，尤其是與視覺傳感器進行對比分析。激光雷達以及光電傳感器對于周圍環境中的光線強弱變化較為不敏感，具有較強的環境適應能力，并且能夠準確測得距離值，其精度較高。同時在搬運機器人控制系統的軟件設計過程中，利用一定的方法分析進而幫助搬運機器人能夠識別其他對應外形特征的物體，以此實現搬運機器人的一定實用價值。對于搬運機器人控制系統方面內容的分析也有利于進一步深入改善搬運機器人的性能，同時也為工業自動化的發展奠定了堅實的基礎。