四自由度碼垛機器人的控制系統設計

湖南工業大學 胡云飛 譚會生 于雪鋒 逯真真

1 引言

隨著自動化技術的發展，自動化技術在工業生產中的應用也越來越廣泛，使得傳統的勞動密集型產業逐步被自動化生產所取代，碼垛機器人在工業生產中的應用就是其中的一種突出表現。由于碼垛機器人具有占地面積小、作業范圍廣、多生產線作業等特點[1]，因此通過采用碼垛機器人代替人工作業，不僅可以提高工作效率、節省勞動成本[2]，而且提高了物流產業的自動化程度，使得物流產業向著更加高效的方向發展。因此，本文將對碼垛機器人的控制系統設計進行研究。

2 機器人的機構類型

本文所研究的碼垛機器人的機械類型為圓柱坐標型，其機械結構如圖1所示。由圖可知，碼垛機器人有四個自由度，分別是基座旋轉、水平移動、垂直移動和端拾器旋轉[3]。機器人在工作時，其工作范圍構成一圓柱形空間，在此將基座旋轉軸定義為S軸，肘部水平移動軸定義為U軸，肩部垂直移動軸定義為L軸，腕部端拾器旋轉軸定義為T軸。故此類型的碼垛機器人空間坐標可以用M(r，θ，z，α)形式表示，其中r代表U軸的位移量，θ代表S軸旋轉角度，z代表L軸位移量，α代表T軸旋轉角度。以上4個關節運動軸全部采用交流伺服電機進行控制，以此達到運動響應快、定位精度高和驅動負載力矩大的要求[4]。腕部可根據作業任務的種類安裝有相應的機械手。

圖1 圓柱坐標型碼垛機器人

3 控制系統硬件設計

由圖2可知，碼垛機器人的硬件系統采用了分布式控制結構[5]，其主要由主控制器、I/O接口板、示教器、伺服電機及其驅動器、控制柜及電源控制電路等組成。其主要任務是對來自人機界面的指令進行處理并與周圍的相關設備進行通信，最終實現對四個伺服電機的協同控制。

3.1 主控制器

主控制器采用基于嵌入式ARM平臺的S3C2440微處理器，其具有豐富的外圍接口以及高達256M內存，并配有SD卡槽。此外，ARM微處理器還具備低成本、低能耗、可靠性高等優勢[6-8]。主控制器的功能是將示教盒傳輸來的示教信號通過RS232總線傳輸給協處理器FPGA板，使其進行相應的運動學計算和軌跡規劃。與此同時，主控制器與四個交流伺服電機通過RS485總線進行通信，對各關節運動軸進行協調控制。在此期間，主控制器不斷地接收來自各個編碼器的反饋脈沖量，并結合讀取到的零位和正反限位檢測信號，通過計算實際位姿與期望位姿的偏差產生各關節運動軸的伺服修正控制量，使機器人輸出的位姿達到預期狀態。

3.2 運動控制器

運動控制器采用Altera公司的FPGA芯片，這是一款基于EP2C5T144C8N芯片設計的高性能處理器，其主要任務是完成機器人的路徑規劃和產生用于驅動伺服電機的變頻脈沖信號，進而實現機器人控制系統的再現功能。

3.3 示教盒

示教盒的主體也是由嵌入式ARM板構成，其任務是對人機界面進行運行管理，將機器人的狀態信息呈現給操作者，實現操作者與機器人之間的交互功能。通過外接的LCD觸摸屏，可以切換手動示教模式和自動運行模式，示教模式時，通過觸控LCD觸摸屏與主控制器系統通信來完成示教功能；運行模式時，LCD觸摸屏主要用來監控碼垛機器人的各個運動軸以及控制器的當前工作狀態。

圖2 控制系統硬件結構

4 控制系統軟件結構設計

碼垛機器人控制系統軟件采用Linux操作系統和Qt界面，Linux操作系統具有可搶占式的多任務機制，而Qt界面具有優良的高度模塊化封裝機制，因此，控制系統可采用模塊化結構設計[9]。由于各個模塊具有相對較高的獨立性且相互之間通信簡單，使得編寫與調試應用程序異常簡便，同時也便于系統軟件擴展和維護[10]。

碼垛機器人控制系統軟件模塊主要包括兩大部分：主控制系統模塊和示教系統模塊。核心板ARM子系統主要有6個模塊：初始化模塊、數據采集模塊、再現模塊、故障檢測處理模塊和兩個通訊模塊；FPGA部分主要模塊有通信模塊、寄存器模塊、命令解析模塊、軌跡插補模塊以及速度和脈沖生成模塊；示教系統的主要模塊有參數設置模塊、示教模塊、I/O故障監控模塊、精確定時模塊和通訊模塊。

5 閉環控制算法

在碼垛機器人的交流伺服系統中，一般情況下，每個關節都采用閉環控制[11]，因此，在本設計中，每個運動軸也都是采用完整的三環控制模式，從內到外依次為電流環、速度環和位置環。

在本設計中，機器人的四個伺服電機驅動器均處在速度控制模式，每個驅動器接收來自運動控制器發送來的模擬電壓信號。由于伺服驅動器本身已經固化了用于計算電流環和速度環的參數自整定閉環PID控制算法，所以伺服系統對輸入速度信號的跟隨已經相當精確，因此，只需要對位置環的控制算法進行設計，就可以達到很精確的控制效果。

由于運動控制器是發送的信號是離散的數字信號，因此必須采用數字式PID控制器。而數字式PID控制器分為兩種，分別是位置式數字PID和增量式數字PID控制器。

位置式數字PID控制器的計算公式為：

其中，PK為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數，TS為采樣時間，e(k)為輸入偏差量，u(k)為輸出控制量。

由于位置式數字PID存在累計誤差，所以如果編碼器出現問題就會造成電機偏離預計運行位置，引發安全事故。而增量式數字PID控制器只計算相鄰的兩個u(k)之差，并不存在誤差累計問題，即使編碼器出現故障，也不會對電機的運行位置造成影響。因此，本設計選用增量式數字PID控制器。

增量式PID需要首先計算出u（k-1），其計算公式如式(2)所示：

增量式PID計算公式為：

本文設計了有針對伺服電機系統的前饋+PID位置環控制器，其軟件框圖如圖3所示。在每個伺服周期內，閉環控制器會首先得到下一個電機位置Pdemand，并通過分析相對編碼器的脈沖計數得到當前電機位置Pnow，兩者之差便是PID控制器的輸入偏差e(k)。PID控制器輸出量與下一個插補點的速度與速度系數的乘積以及加速度與加速度系數的乘積之和，便是整個閉環控制器的輸出u(k)，由于u(k)是一個數字電壓量，而伺服電機驅動器需要接收的是模擬信號，因此需要經過D/A轉換器將其轉換為模擬電壓值。本設計對于同樣的運動控制任務，閉環算法的執行周期都比位置環伺服大大縮短，使得碼垛機器人的四軸電機聯動具備實時性。

圖3 位置環控制器框圖

6 結束語

本文在嵌入式平臺上完成了碼垛機器人控制系統的設計，系統采用ARM +FPGA的核心控制架構，采用了模塊化設計，便于系統的擴展與維護，并采用針對伺服電機系統的帶有前饋的PID位置環控制算法，使得機器人的電機聯動控制較精確。

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