搬运机器人控制系统的设计＊

卢 鑫，郭 婷，谭越洋

（深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518000）

机器人是现代化建设不断加快下的产物，其最初便是应用于工业方面，因而工业机器人的发展最为迅速。就目前而言，工业发展也不断地趋向于自动化，而搬运机器人的研究应用则对其自动化发展有着促进作用，同时也是工业方面先进技术的重要内容。很多国家对于搬运机器人的研究都十分重视，同时在长期的发展过程中也已经取得了一定的成就。以日本、美国等发达国家为例，其在搬运机器人方面的研究已经较为深入，同时不同类型的工业机器人也被广泛地应用于食品加工和包装、机械制造等领域。相关研究表明，工业机器人的应用仍向着更为广阔的领域发展，同时其也能很大程度上改变工业生产及生活方式，由此来提高人们的生产效率，也为工业化发展提供了动力。总体而言，搬运机器人在工业化发展中的应用起到了很好的效果，其有效提高了工业生产效率，同时也有利于精确化生产。随着工业发展自动化趋势不断加快，搬运机器人的研究改进也必将更为深入，由此也将实现工业生产的整体变革。

1 研究背景

1.1 研究意义

经由上述内容可知，搬运机器人已然成为工业自动化发展的重要内容，因而对于搬运机器人控制系统设计的研究十分重要。搬运机器人实质上是一种新型搬运装置，其融合自动化技术被广泛应用于工业自动生产线中，不仅加快了工业生产的效率，同时也避免了由人工操作所引起的操作失误问题。一般地，搬运机器人所进行的工作往往具有重复性及连续性的特点，同时其也能够从事一些危险工作，由此也减少了工业生产事故的发生。由此可见，搬运机器人在工业领域的应用确实有着较好的效果，同时其多方面的优势也决定了其良好的发展前景。当前搬运机器人的研究仍在不断深入，且开始开发新的功能，旨在基于重复连续工作的基础上，能够使之完成其他一系列的工业操作，为工业生产自动化发展提供坚实的基础。总体来看，搬运机器人的应用对于提高工业生产效率、改善产品质量都有着很大的帮助，这也能最大化地提高企业的市场竞争力。因而对于工业生产自动化中搬运机器人系统的设计研究有着十分重要的意义。

1.2 国内外发展现状

机器人的研究发展已有较长的历程，第一台工业机器人于20世纪60年代便已研发，自此，很多工业发达的国家开始了对工业机器人漫长的研究。搬运机器人作为工业机器人的重要分支，其主要是用于完成各类作业任务，同时也融入了一定的智能化及适应性，因而可以准确地在一些严峻的环境中完成难度较大的作业。当前国外对于搬运机器人的研究十分重视，如美国和日本，搬运机器人控制系统的设计更是十分先进，美国的机器人技术也处于国际领先地位，日本的机器人数量及种类则为世界之最。在中国，工业机器人的相关研究也都在进行，但对于一些中小型企业而言，由于搬运机器人相关技术含量及生产成本都比较高，导致其无法耗费巨大的成本投入到搬运机器人的使用，因而搬运机器人的使用范围受到了很大的限制。但在后续的发展中，受到企业经济结构调整以及产业优化的影响，搬运机器人的应用有所推广，同时诸多企业利用机器人代替人工操作，也取得了一定的成效。从整体上来看，中国搬运机器人的发展较为迅速，但与发达国家相比，还有着不小的差距。

1.3 研究内容

本文重点研究内容即为搬运机器人控制系统的设计，在此过程中，基于计算机技术的快速发展，研究了开放式的控制系统，该系统也是未来搬运机器人控制系统的发展趋势。同时结合搬运机器人的动力学进行分析，从而更为有效地促进搬运机器人设计的转型升级。

2 搬运机器人动力学分析

2.1 机器人总体结构

搬运机器人的设计应用了诸多方面的先进技术，如力学、自动控制技术、单片机技术以及计算机技术。对于搬运机器人而言，其有着诸多方面的应用优势，由于机器人自身结构及性能方面逐渐向着智能化方向发展，因而其适应性也在不断增强，能够广泛地应用于各个方面。目前搬运机器人主要由3部分组成，分别是执行机构、驱动机构以及控制机构。搬运机器人的手部设计较为特殊，其多为回转型或是平动型，其一般根据需要设计为外抓式或是内抓式[1]。而对于其腕部而言，往往是采用直接驱动的方式进行，同时在设计的过程中也要注意其紧凑性，主要是由于腕部需要安装驱动源，紧凑的结构更有利于安装。此外，还有一些研究将机器人分为5部分，分别为机械本体、控制系统、传感器、驱动器以及输入输出系统，这样的结构划分也是依据其各部分机能进行的。传感器则是机器人的核心所在，其能够根据自身所处的环境来下达指令信号，控制机器人的行动，从而更好地完成各方面工作。

2.2 搬运机器人动力学分析

对于搬运机器人控制系统而言，其定位的准确度及稳定性很大程度上受到角加速度的惯量项和重力项的影响，因而当搬运机器人的运动速度过快时，其所受到的科氏力与向心力便会对机器人动力学产生较大的影响。对于模块化轻载搬运机器人动力学的研究而言，在实际工作过程中S、L关节的转动相对较为缓慢，这也有效减小了科氏力与向心力对机器人系统的影响，甚至可以将之忽略不计。但需要注意的是，此时搬运机器人上部分的小臂以及腕关节的转动速度相对较快，因而并不能忽略科氏力以及向心力对机器人系统的影响[2]。当S、L、U关节质量相对较小时，其所产生的惯量也较小，此时便需要重点分析向心力及科氏力的作用。总体而言，通过对影响机器人动力学系统因素的分析，可以对搬运机器人各个关节的力矩进行简化，在此过程中也可以进一步深入分析其力矩公式，由此方便动力学研究的进行。

3 搬运机器人控制系统硬件结构的设计分析

关于搬运机器人控制系统的硬件结构设计，其主要通过嵌入式控制器的使用，将主控制器与操作系统相结合，利用符合条件的PLC软件，在支持多种编程语言的基础上设计多个PLC任务，以此满足搬运机器人控制系统的硬件结构设计。针对搬运机器人控制系统的设计，其主要运用到一个软件PLC以及对应的2个任务。通过总线将嵌入式PLC、模拟量采集模块、数字采集模块、激光雷达以及电机驱动模块进行有效连接。

在传感器系统中，主要选择符合系统的激光雷达进行机器人搬运物体的外形检测以及位置检测。其雷达的探测扇形区域应约为190°，对应扇形的扫描区域的扫描线之间应保持θ=0.36°，实际的探测距离应约为50 m。与此同时激光雷达必须达到每隔20 ms便进行一次扫描。由此扫描得到的数据则包含有一定准确性的角度值和距离值，数据则能够通过总线传输给主控制器。而针对当前的搬运机器人控制系统设计，在激光雷达的运用中具有一定的局限性，激光雷达只能够检测到机器人的前方一定高度的物体，但对于地面的情况无法深入检测。对此情况，则通过光电传感器的设计满足搬运机器人行动过程中对于地面情况的检测。即在搬运机器人的地盘前后左右处各安装一组光电传感器，以此全面对地面情况进行检测。光电传感器能够输出较高的电平，再通过继电器的利用进行一定的转换，进而将光电信号向开关信号进行转换，从而连接到数字量的输入模块。

在搬运机器人的控制系统硬件设计中，无法避免机械加工以及装配生产所带来的误差，即在机器人行走的过程中常常会偏离正确的预测方向，因此为了充分降低机器人行走方向误差的产生，在搬运机器人的设计中增加了数字罗盘模块，其通过磁传感器中的X、Y轴同时感应到磁分量，并且准确计算对应的方位角度，以此完成搬运机器人的预测方向校准。数字罗盘主要是与控制系统的控制器相连信，在机器人遇到转弯情况时，数字罗盘能够检测出一定的角度来保证搬运机器人的行走方向是准确的[3]。

与此同时，在搬运机器人的控制系统设计过程中，对于搬运机器人的搬运路线、方向进行确定的同时，还应满足搬运机器人对于搬运物体的搬运力度控制，保证搬运机器人在搬运物体的过程中不会对物体造成损害。以此则要求在搬运机器人的机械手指内部安装压力应变片，通过压力应变片能够有效读取搬运机器人所抓取的物体的力度，从而保证搬运机器人在物体的抓取过程中不会损坏物体。其对应的压力应变片应与其他对应的电阻形成桥式电路，与对应的芯片构成简单的仪表放大器。将相关读取到的信号数据进行放大处理，以此传递到模拟量采集模块，对应电路主要由两级相对差分的放大电路构成，具有高共模拟制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差以及设置灵活等特点。

除此之外，在搬运机器人的控制系统硬件设计过程中，控制系统以及传感器系统的设计具有一定性，但同时也应保证搬运机器人控制系统中的电机驱动系统设计的一定性。电机驱动系统是搬运机器人进行一系列搬运工作程序的基础，也是搬运机器人顺利开展工作的关键。搬运机器人的电机驱动系统主要运用到了驱动电机，因此对于驱动电机的选择至关重要。在搬运机器人的控制系统设计过程中，应在驱动电机的工作运用基础上进行其他关键位置的设计，其中包括底盘轮子、手臂升降同步带的设计。

在搬运机器人的控制系统设计过程中，其在对应的机器人底盘上应安装有4个全向轮以及4个直流伺服电机，4个直流伺服电机在经过了减速机进行了有效减速后会与底盘的4个轮子相连接。其中搬运机器人的手臂升降以及机械手的张合都能够由直流伺服电机进行驱动[4]。关于搬运机器人的驱动电机，其主要是一种关于模块化的伺服驱动器能够有效通过利用速度环和位置环的PI控制，提高电机驱动系统的响应速度，并且能够在其搬运机器人受到负载的扰动时进行快速地恢复工作，进而保证搬运机器人的搬运过程稳定。同时，运用在搬运机器人机械手上的伺服电机都必须处在一定的工作位置模式，其依靠升降同步带的控制，利用升降同步带以及控制机械手的驱动伺服电机，能够有效保证搬运机器人的手臂升降高度以及搬运机器人的机械手力度都在一定满意的控制程度。

4 搬运机器人控制系统软件设计与实现

对于搬运机器人控制系统软件而言，其很大程度上决定着机器人的整体控制。软件系统主要包括物体探测子程序、主程序以及抓取子程序等，在程序的编写过程中，需要符合标准结构文本语言，由此才能发挥其应有的效果。此外，嵌入式软件PLC可以进行多个任务的划分，其经扫描所得到的数据量也比较大，为了有效保证程序的运行效率，需要将物体探测子程序作为任务执行，而其他的子程序或是主程序都作为另一个任务进行运行。例如在搬运机器人初步执行了硬件初始化后，其手臂将会上升到待抓取位置，有效地采集手指的压力传感器信号，并将之作为测量的参考值。之后便可以进入到探测子程序。同时由于激光雷达的安装位置较为特殊，其测量范围往往会被限制，因而所截取的有效探测数据往往为20°～170°。进行相应的计算也能判定物体为待抓取的目标物体[5]。由此可见，在探测到物体的位置之后，也需要进行其他参数的设置，帮助调整机器人手臂的方向，同时使物体位于手臂的正前方。此后则需要调整机器人与物体间的距离，将机械手放于物体正上方。此时便可以进行抓取，同时其压力变片也可以测得压力，反映出是否抓牢。最后搬运机器人抓取物体并升起手臂，将物体放置于指定地点放下。

5 结束语

本文中针对搬运机器人控制系统设计进行了深入的分析研究，在此过程中，重点分析了搬运机器人动力学、搬运机器人控制系统的硬件设计以及控制系统软件设计。在对应搬运机器人控制系统的设计过程中，应将PLC软件作为核心准备，集成光电传感器、激光雷达、数字罗盘模块、压力检测模块以及电机驱动模块，利用对应软件程序的控制，以此充分实现搬运机器人对搬运目标物的实际探测和搬运。利用PLC软件为核心的控制系统具有较强的稳定性，将有效减少系统死机以及程序紊乱等现象的发生。其中，关于激光雷达以及光电传感器的应用更能够保证其数据的精确程度，尤其是与视觉传感器进行对比分析。激光雷达以及光电传感器对于周围环境中的光线强弱变化较为不敏感，具有较强的环境适应能力，并且能够准确测得距离值，其精度较高。同时在搬运机器人控制系统的软件设计过程中，利用一定的方法分析进而帮助搬运机器人能够识别其他对应外形特征的物体，以此实现搬运机器人的一定实用价值。对于搬运机器人控制系统方面内容的分析也有利于进一步深入改善搬运机器人的性能，同时也为工业自动化的发展奠定了坚实的基础。