冶金企業工業機器人高精度自動避障技術設計

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

隨著微電子技術，信息技術，計算機技術和材料技術科學的飛速發展，工業機器人的應用變得越來越成熟，制造業開始使用工業機器人代替大量的人工生產。在實質冶金工業電氣自動化控制系統中，是指由若干個避障系統原件組合，用于控制工業機器人運行，從而實現機器人安全、平穩、可靠地運行，機器人高精度自動化避障系統需要具備自動控制、監測、測量、保護等功能。隨著冶金企業生產規模的不斷擴大，其對工業機器人控制需求也逐漸提高，需要對冶金企業生產流程進行全線跟蹤，并能針對不合理的生產程序及時調整和控制，然而目前還有一些的機械設備控制系統在實際運行過程中經常出現死機、停運現象，魯棒值較低，致使其具有較低的可靠性，已經無法滿足冶金企業的工業化需求，為此提出冶金工業機器人高精度避障系統的可靠性研究。

1 系統硬件設計

此次根據冶金工業機器人高精度避障需求，在機器人硬件方面設計了觸摸屏、變頻驅動器、伺服控制器以及其他輔件，利用串行接口將各個硬件設備連接，通過觸摸屏發出控制指令，利用變頻驅動器和伺服控制器完成操作指令，保證整個系統協調運轉，下圖為冶金企業工業機器人系統硬件結構圖。

（1）觸摸屏設計。由于系統需要具備工業機器人實時監視功能，因此根據該設計需求，設計了觸摸屏硬件設備，該設備的作用主要是顯示冶金企業電氣運行狀態，以及控制系統的控制程序，可以通過觸摸屏完成對機器人自動化控制指令的自定義設置，將其作為控制系統的人機界面實現對冶金企業機器人工況的監控[1]。選取SHIG的T-1613型號觸摸屏，該觸摸屏具有超高清顯示優點，內部搭載I9處理器，可以通過內部參數設定實現對冶金工業機器人設備轉速、轉向以及形成的監控，將觸摸屏作為控制系統的上位機。

圖1 冶金企業工業機器人避障系統硬件結構圖

（2）變頻驅動器設計。變頻驅動器的作用主要負責控制調節機器人運行的對外輸出動力，將變頻驅動器作為控制系統的運動執行單元[2]。根據冶金工業機器人自動化控制需求，設計了伺服變頻和電機變頻兩種變頻驅動器，其中伺服變頻驅動器選用Lent GB6642型號，采用CIN模式模擬曲線，搭配電子齒輪來保證在對機器人變頻驅動過程中的平穩，使工業機器人可以按照控制程序正反轉的順利實現；電機變頻驅動器選取青島志達公司生產的GUHI2640三相異步變頻驅動器，該驅動器可以通過接口與觸摸屏相連接，設定多檔運行速度，可以機器人運行過程中的變速時間，內部搭載S156編碼器，通過編碼器返回機器人避障標定運行位置。

（3）高精度避障器設計。工業機器人的高精度避障系統是根據聲波定位進行控制，超聲波傳感器選用的是壓電式收發分體T/R40-16，它的中心頻率是40Hz，感應角為15℃。超聲波發射器電路用于產生40 kHz超聲波。它通過激勵電路驅動方波發生器產生的40 Hz方波，并使用超聲發射器的換能器將其發射出去。伺服控制器主要是由基于ARM內核的32位微控制裝置、微處理裝置組成的78B41單片機，以及LED數碼管、鍵盤、4個發光二極管等相關元件組成。同時端口還復用輸出資源，輸出為DO，3A，可直接驅動伺服電機，還具備12路PWM及2路H橋功能。超聲波接收換能器接收的超聲波回波是失真的正弦波。為了使單片機準確，及時地檢測到回聲，必須將信號發送到檢測電路，以將失真的正弦波轉換為方波。

（4）電路設計。為了保證系統的電源電壓穩定，冶金企業工業機器人系統在運行時采用4.5V電壓供電，并且分別在系統輸入端口和輸出端口安裝經線性穩壓電源LMIII9GT-3.0V和LMIII9GT-1.5V，將系統的供電電壓降低到3.0V和1.5V。

2 系統軟件設計

2.1 基于三級通信模式的機器人高精度避障數據傳輸

為了保證避障聲波系統的傳輸質量，對于系統上位機和下位機的數據傳輸采用三級通信模式。觸摸屏和變頻驅動器的通訊視作為一級傳輸模式，在該級通信中以觸摸屏為核心的系統監視單元作為上位機，包含變頻驅動器的系統驅動單元作為下位機，上位機與下位機采用H264網絡協議進行串口通信，通過該網絡協議，系統的監視單元接收外界的控制指令和參數，并且操控系統驅動單元的工作模式并且向驅動單元錄入基本工作參數；將變頻驅動器和伺服控制器的數據通信作為二級通信，在該級通信中，系統的驅動單元作為上位機，即數據輸出端，以伺服控制器為核心的系統控制單元為下位機，即數據接收端，上位機與下位機同樣采用H264網絡協議進行串口數據傳輸，系統驅動單元通過廣播模式向系統控制單元傳輸數據；將伺服控制器和觸摸屏之間的數據傳輸視作為三級通信，在該級通信中系統的控制單元作為上位機，系統的監視單元為下位機，上位機與下位機的通信采用Lenze數頻接口通訊，通過各自的數字頻率輸入端口和輸出端口實現數據傳輸。各級依靠各自的通信方式，實現系統監視、驅動、控制單元之間的數據傳輸。

2.2 基于PID算法的機器人高精度避障

在上述基礎上，引入PID算法實現對機器人高精度避障控制。在對PID算法進行設計時，主要是設計出符合系統控制要求的目標函數，首先要根據冶金企業避障需求，選擇主控制標量和狀態變量。在操作過程中，狀態變量應描述系統的關鍵特性，然后必須使用目標函數輸出和計算控制標量和狀態變量，并且必須由伺服控制器為計算出的控制變量分配指令，設備執行控制命令。PID算法實現步驟如下：

將冶金企業機器人運行速度和運行周期作為目標，建立目標函數其函數公式如下：

公式（1）中，w為電氣平均運行速度；s為電氣運行周期；Mp為系統的超調量，ts為系統的調節時間，e-a為系統控制誤差。利用該函數計算出電氣運行曲線，將其與控制目標相對比，判斷目前機器人運行是否正常和穩定，如果二者不相符，通過調節比例度、積分時間和微分時間，控制高精度避障運行參數，使機器人運行恢復正常。

機器人高精度避障的具體步驟為：首先確定冶金企業機器人運行時間和運行周期等參數的大致范圍和編碼長度，對其進行編碼。然后將公式（1）所有計算出的單個參數組成一組參數，最后通過誤差調整所有參數值，達到機器人運行預定指標，以此完成冶金企業工業機器人高精度避障系統設計。

3 實驗

（1）實驗設計。實驗以某冶金企業為實驗對象，利用此次設計系統與傳統系統對該企業機器人避障系統進行實驗。系統硬件設備參數設置如下：將變頻驅動器驅動周期設置為40s，驅動頻率設置為15.46Hz，驅動指令響應時間設置為0.55s，伺服控制器控制頻率設置為12.45Hz，控制周期為10min，狀態顯示設置為僅顯示狀態信號。實驗時間為240min，記錄兩個系統在控制過程中控制指令停止次數，和停止時長，將其作為實驗數據。根據實驗數據計算出兩個系統的魯棒值，魯棒值取值范圍為0-1，數值越大則說明系統的魯棒性越好，將其作為實驗結果。

（2）實驗結果分析。實驗以兩個系統的魯棒值作為實驗結果，對兩個系統對比，實驗結果如下表所示。

表1 兩個系統魯棒值對比

從上表可以看出，此次設計的系統魯棒值平均為0.97，而傳統系統為0.69，說明此次設計系統具有良好的可靠性，可以滿足冶金企業機器人避障的基本需求。

4 結束語

此次結合冶金企業機器人避障需求，開發設計了一個新的高精度避障系統，并通過實驗分析，驗證了此次設計系統具有較高的可靠性。此次研究內容為冶金企業機器人高精度避障系統開發及優化提供了理論依據，為冶金企業生產提供了保證，有利于提高冶金企業生產效率和生產質量。此次僅對冶金企業機器人高精度避障系統的可靠性進行了研究，研究內容存在不足之處，今后將重點對系統的魯棒性進行深入研究。