基于Beckhoff的瓷砖铺贴机器人控制系统设计

杜亚男， 周惠兴，2，3*， 刘天宇， 张俊杰

(1.北京建筑大学机电学院，北京 100044； 2.建筑机器人与智能设备智能实验室，北京 100044；3.北京市建筑安全监测工控技术研究中心，北京 100044；4.中国农业大学工学院，北京 100094)

自瓷砖出现以来，瓷砖铺贴工作一直伴随着人类生活。整个瓷砖铺贴过程由手工完成，包括处理基线、弹线、预铺、铺贴、勾缝等，最后清理铺贴环境。随着社会经济的不断发展，瓷砖铺贴的人工成本不断提高，而人工铺贴效率却未实现普遍提高，这促使瓷砖铺贴工艺向机械化、自动化转换。

近年来，机器人技术已逐渐成为自动化技术发展的主要力量，已经被广泛应用于建筑行业，瓷砖铺贴工艺向机器人技术转换，将成为建筑业与自动化技术结合的未来趋势，以及建筑业发展的方向。中国是瓷砖生产大国，每年瓷砖产量超过100×108m2[1]，每年皆由人工铺设完成，耗费了大量的人力资源与时间成本。对人工铺贴而言，感官检测与瓷砖铺贴放置阶段是重复性极高的单调任务，且精度水平不稳定，采用具有自主移动性的智能瓷砖铺贴机器人是解决上述问题的有效途径之一[2-3]。瓷砖铺贴机器人旨在帮助工作人员完成瓷砖平铺任务[4-5]。在复杂建筑环境下要完成此任务，必须实现高精度激光感测与数据分析，同时为实现多种类瓷砖铺贴，构建一个灵活可靠的高精度机器人控制系统显得尤为重要。

现通过介绍瓷砖铺贴机器人实现瓷砖铺贴的基本思路、控制系统各模块组成，对各个控制模块优点进行总结，说明倍福控制技术实现瓷砖铺贴机器人的控制原理。

1 瓷砖铺贴控制系统总体设计

利用自动化设备实现瓷砖铺贴，即人工手动铺贴部分将由控制系统控制下的自动化设备完成，将工人感官测量转化为瓷砖定位系统检测过程。由于瓷砖铺贴环境复杂，而人工铺贴具有效率低、精度差等缺点，需要对机器人控制系统及瓷砖定位系统进行针对性设计。机器人系统整体框图如图1所示。

根据建筑机器人实际应用的建筑环境、高精度要求和运动控制的复杂程度，采用倍福嵌入式控制器自带DVI/USB通讯接口，工业PC机通过EtherCAT与控制器连接。整个控制系统采用EtherCAT实现通讯，与其他字段总线相比，EtherCAT在100 Mbit/s以太网上传输125字节方面具有明显的优势[6]，加快数据传输速度，提高系统通讯效率，保障系统通讯稳定。机器人、激光控制器、SMC及移动平台设备与主控制器通过总线端子模块实现硬线连接，不同设备间信号传输可通过实际要求装配不同模块，使得控制过程更加简便。倍福控制系统面对不同的应用程序可在相同的硬件上实现，降低了开发的难度，提升了使用的灵活性。

图1 瓷砖铺贴机器人系统整体框图

倍福控制系统能够有效集中激光传感器和移动平台的数据测量、采集和传输，并下发指令。通过倍福(Beckhoff)硬件系统和软件系统之间的高速通讯，实现硬件设备与软件系统之间高效率数据传输，进一步应用机器人代替人工进行分析和计算，同时监视各硬件系统的数据，保证各从站设备有序工作。

1.1 嵌入式控制器模块

控制系统采用基于Beckhoff的嵌入式控制器、控制系统组件模块和TwinCAT自动化软件实现控制过程。以嵌入式PC作为硬件平台，TwinCAT作为软件平台，使用安全的I/O(input/output)端子模块通过安全通信协议连接，保证了系统的安全运行。基于工业PC的控制技术为传统的控制任务提供了良好的可升级性和灵活性，因此基于PC的控制技术也逐渐代替了硬件PLC(programmable logic controller)和类似产品，并在实际生产过程中得到了广泛应用[7]。

针对瓷砖铺贴过程，倍福控制系统主要针对各个硬件系统的运行动作、运行速度，即线速度及角速度实现高精度控制，还包括激光传感器检测信号的实时接受与处理、气阀的开关闭合、移动平台的运动方向参数控制。倍福嵌入式控制器结构紧凑，运算能力强，与各种I/O模块整合构成机器人控制系统。如图2所示，嵌入式控制器上安装有不同通讯接口，可实现超高速回路，降低延时，实现高性能控制。

图2 Beckhoff嵌入式控制器

根据各硬件数据传输及通讯特点，装配不同通讯模块。激光检测与控制器控制命令为数字量信号，对应控制系统中的数字量输入输出模块；控制器与机器人利用DeviceNet模块实现高速通讯，对应控制系统的DeviceNet模块；移动平台与控制器通过RS232模块实现命令接受与反馈。因为端口连接数量有限，只需选择需要的信号连接希望的端子，控制器与装配端子可得到有效利用，提升端子利用率。

输入输出模块中为防止短路，每个通道还具有短路保护措施。为降低数据传输错误率，倍福数字量输入输出对应不同模块，直接与控制器相连，控制方便，能够实现输入输出无触点控制，适合数据交换量大、对实时性要求较高的控制系统。瓷砖与机器人的相对位置信息需通过大量点、线、面的空间位置与空间表达式计算得出，数据运算量大，故采用倍福控制系统的输入输出模块，可更快、更精准地实现PC与传感器之间的数据交换。

1.2 移动平台控制模块

实际建筑行业中，瓷砖通常需要大面积铺贴，机器人动作范围有限，因此需要借助移动平台扩大机器人工作范围。为降低机器人瓷砖铺贴工作对空间的要求，移动平台采用全向轮装置，可以通过控制每个车轮的转速和旋转方向实现各种转向模式，无转弯半径，提高机器人室内铺贴瓷砖的灵活性，缩小机器人的调节空间。移动平台采用RS232接口实现与外接设备的数据传输，因此倍福控制系统采用RS232串口端子模块与移动平台通讯，将带RS232接口的移动平台连接到控制层。

PC机与设备之间传输数据的RS232串口，其作为重要的信息传递枢纽，能有效完成数据和指令传输[8]。这种主动的通讯通道不受上位EtherCAT系统周期的影响，并在全双工模式下工作，可使用任何所需数量的串口，无需考虑控制移动平台的结构限制。安装时可靠近使用的地方，缩短电缆长度，充分利用移动平台上方空间，提高空间占有率。

1.3 机器人控制模块

机器人为控制系统从站，整个过程中机器人动作为闭环控制，需要对其动作进行实时检测，故采用DeviceNet实现主-从站信号接收反馈。 DeviceNet支持主/从、生产者/消费者等通讯结构，以基于数据块的编码方式，支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传递方式，可实现不同厂商的同类设备信息互换，更重要的是给系统带来设备级的诊断功能[9]。

将DeviceNet机板安装在机器人控制柜中，连接通过EtherCAT实现，无需占用PC中的插槽，节省安装空间，可独立控制。同时使得EtherCAT端子模块系统中能够集成任意数量的CANopen设备，大大提高了系统的开放性和灵活性。

机器人控制模块端部还装配有结束端子，防止通讯模块短路故障，保障总线耦合器与通讯模块的实时数据传输。

2 瓷砖检测方法

瓷砖定位检测与放置是整个控制环节的重要组成部分。由于瓷砖位置的不确定性、瓷砖库内瓷砖摆放的随机性和移动平台的移动，会产生误差和稳定性等问题，因此需要加入瓷砖空间定位，使系统精确计算瓷砖的空间位置，从而确定下一块瓷砖的待铺位置。瓷砖检测与放置未采用纯视觉来伺服安装，而是利用实现条件低，原理简单，运算量小的点激光实现瓷砖空间定位与偏移测量。

机器人工作环境为三维空间，因此采用标准空间正交坐标系作为瓷砖空间位置表征环境，建立基于机器人与瓷砖的空间坐标系，如图3所示。

图3 机器人坐标系建立

对研究的瓷砖铺贴过程中，需要对两种姿态下的瓷砖分别进行检测：一是机械手放置瓷砖时的定位，对已铺完的瓷砖进行精准定位，结合瓷砖缝隙确定瓷砖放置坐标；二是机械手抓取瓷砖时的定位，对从瓷砖库中抓取的任意摆放的瓷砖进行定位，结合计算出的瓷砖待铺位置，计算已抓取瓷砖的初始偏移量。

对已铺好瓷砖进行定位时，已知激光点A0(X0，Y0，Z0)，机器人激光扫描A1、A2、A3、A4四个点，记录4个点的位置坐标。平面2则为已铺好瓷砖上表面所在的平面，根据几何平面方程，可得瓷砖上表面的空间表达式。激光检测如图4所示。

激光检测A1、A2、A3、A4四点坐标，根据几何原理可得A5点的坐标，因此便可得到瓷砖上表面的空间位置。

图4中A0为激光传感器的激光点，A1、A2、A3、A4为已铺好瓷砖相邻两边上的4个点。A5为已铺好瓷砖外侧相邻两边即A1、A2所在边与A3、A4所在边的交点，O为瓷砖瓷砖上方与外侧两条边的交点同时也为坐标系原点，A6、A7分别为瓷砖O、A5的对角。

抓取瓷砖时，瓷砖空间位置测量，需建立瓷砖空间坐标系，如图5所示。

图4 激光检测瓷砖示意图

图5 瓷砖空间坐标系

同样激光检测4个基准点，记录4个点的位置坐标。O(作为瓷砖边沿的交点)、A6、A7可由同样几何方法得到，测得4个角的倾斜、间隙、位移以表征4个交叉点，算法分析4个不同的瓷砖角即可得每块瓷砖角落的位置和方向，选取外部两个角落标记为下一块瓷砖铺贴的参考位置。待铺瓷砖检测如图6所示。待铺贴瓷砖与已铺贴瓷砖位置坐标差为机器人需移动位移与旋转角度。待铺瓷砖位置确定如图7所示。

图6 已抓取瓷砖定位

图7 瓷砖放置位置示意图

3 TwinCAT运行环境

对已铺好瓷砖进行定位时，已知激光点A0(X0，Y0，Z0)，机器人激光扫描A1、A2、A3、A4四个点，记录4个点的位置坐标。平面2则为已铺好瓷砖上表面所在的平面，根据几何平面方程，可得瓷砖上表面的空间表达式。激光检测如图4所示。

根据系统方案和硬件要求，采用倍福自动化软件TwinCAT3，通过ST语言对软件运行环境进行程序设计。基于Windows的控制自动化技术(the windows control and automation technology，TwinCAT)[10]是整个控制过程的关键部分。可对PLC、PID(proportion integration differentitation)、I/O、CNC(computer numerical control)轴位控制及用户需要完成的特殊任务进行多任务的时间安排，并且在一台PC机上可同时进行多个逻辑PLC，每个任务独立运行，互不干扰[11]，是一种软PLC。它能将任何兼容PC改造为实时控制器。基于此功能，将TwinCAT自动化软件与嵌入式PC作为系统的控制核心，运用倍福自主开发完善、高效、成熟的功能库，通过对动平台设备、激光传感器、机器人设备和I/O输入、输出设备等的协调控制，实现建筑机器人实时运动控制。TwinCAT3软件系统用于编辑程序算法和程序配置，由程序执行系统和实施环境组成。控制程序写好后，连接PC机与控制器，在I/O配置中的Device中进行设备扫描，选择EtherCAT，所有与控制器相连的通讯模块被软件识别，在Device中添加DeviceNet机板，在控制器模块中设置与机器人匹配的参数，在DeviceNet Instance中与机器人的输入输出接口链接，在PLC中的Plc Task Inputs/Outputs与SMC和移动平台接口链接，在TwinCAT下激活配置便可实现各个硬件的协同控制。TwinCAT系统程序运行后便可得到激光激光测量曲线，如图8所示。

图8 TwinCAT运行环境

4 瓷砖铺贴试验及结果

4.1 激光检测过程

定位和激光检测的精度与反馈是瓷砖铺贴过程的关键组成部分。瓷砖检测与位置放置通过激光感测实现，激光检测数据用于瓷砖位置定位与初始位置偏移计算。在瓷砖铺贴期间，瓷砖边缘化并且通过对接缝隙彼此相邻放置时，将采用激光容差和容差反馈方法的组合。

激光对瓷砖进行检测时，根据瓷砖边沿与瓷砖缝隙的容差值感测中断信号，对瓷砖外边缘进行精确定位。激光容差值调节是一个简单而复杂的过程，需经过多次调节实验，使得激光检测点投射至瓷砖边沿位置，测得激光最佳扫描位置，从而得到最优容差值。激光传感器投射的激光束是一条有直径的光线，激光束直径最小时传感器测得精度最高(图9)。

根据激光检测方法，确定瓷砖位置所需检测的基准点，并对点的坐标进行记录与运算。为提高激光检测效率，对机器人检测路径进行优化设计，在准确测量基准点的基础上减少机器人移动里程与时间。机器人按照固定的轨迹依次测得A1、A2、A3、A4四个基准点的位置坐标，瓷砖检测点实验检测如图10所示。

图9 瓷砖边沿检测

图10 瓷砖测量示意图

利用激光容差值确定瓷砖边沿，通过对瓷砖边沿上A1、A2、A3、A4四个点的位置检测与计算，得到瓷砖中点与机器人的相对位置坐标，从而确定下一块瓷砖的位置坐标，将机器人从一个瓷砖位置移动到下一个瓷砖位置。

4.2 瓷砖空间定位检测结果

机器人末端按照特定的轨迹扫描空间定位所需检测的基准点的位置，经过控制器的坐标运算得到机器人已铺贴瓷砖位置，经数据处理得到下一块瓷砖应铺贴位置。由PC机控制机器人将瓷砖铺贴到计算坐标位置，铺贴完成后，测量平面内瓷砖的偏移程度，判断此控制系统对机器人规定动作的完成程度。评价瓷砖铺贴机器人技术的关键是瓷砖放置质量，瓷砖彼此间的缝隙与地面的平整度。瓷砖铺贴如图11所示。图11中Rx、Ry、Rz分别为瓷砖绕X、Y、Z轴的旋转角度。

瓷砖铺贴实验结构由理论值与实际值进行分析比较。为保证实验结果，第一块瓷砖的位置坐标由激光传感器检测得出，作为待铺瓷砖的基准砖(图12)。由基准砖延伸出的剩余8块瓷砖的理想位置坐标如表1所示。

图11 瓷砖铺贴示意图

图12 瓷砖铺贴实验效果

表1 功率瓷砖中点位置坐标

通过实际铺砖实验结果表明，系统实验性能达到了预期指标，瓷砖间的缝隙达到预期要求的5 mm，且平面铺贴误差小于0.5 mm，误差主要来源于瓷砖的加工误差、激光检测误差、环境因素、移动平台移动误差以及硬件的系统误差的存在。

5 结果分析

表2所示数据为随机实验检测瓷砖坐标值，表3所示瓷砖X、Y、Z、Rx、Ry、Rz坐标值实验误差。

通过实际铺砖实验结果可见，系统实验性能达到了预期指标，可完全代替人工操作。实验结果表明，出现实验误差的主要原因为环境造成的激光检测误差、移动平台移动误差以及硬件的系统误差的存在。由表3可知，瓷砖空间旋转角度误差较小，X-Y平面误差想对较大，X-Y平面误差主要来源于硬件系统的平面运动、点激光定位检测。

表2 瓷砖中点实际位置

表3 瓷砖空间坐标误差值

6 结论

(1)设计一种以倍福(Beckhoff)控制系统为核心、以EtherCAT和DeviceNet为通讯基础，结合激光传感器检测系统的瓷砖铺贴机器人控制系统。该系统通过激光扫描对已铺好的基准砖和抓取的瓷砖库内任意摆放的待铺瓷砖进行空间定位，保证每块瓷砖精确地空间位置，实现待铺瓷砖与基准砖的相对空间位置计算。

(2)开发点激光瓷砖定位方法，并通过控制系统实时控制机器人运动，保证机器人运动的正确率和精准率。通过理论分析和实验验证，该瓷砖铺贴控制系统配合点激光定位方法，能够达到良好的铺贴效果，在实际建筑生产活动中具有广阔的市场发展前景。