基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人步態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 龍

（黔西南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 興義 562400）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是在工業(yè)4.0時(shí)代下的工業(yè)產(chǎn)物[1]，具有位置可控、對(duì)復(fù)雜環(huán)境耐受力強(qiáng)、可編程操控以及生產(chǎn)力高效的特點(diǎn)[2-3]，可以在一定程度上減少人工成本并大幅度提高工作質(zhì)量與效率，適用于一些人工無法完成的或者高度重復(fù)的機(jī)械式工作[4]。工業(yè)機(jī)器人主要借助不同零件、材料等執(zhí)行工作任務(wù)，其自身成本較高，因此對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行高效的自動(dòng)控制勢在必行[5-6]。目前已有研究學(xué)者對(duì)機(jī)器人的控制進(jìn)行了相關(guān)研究，許艷英等[7]通過蟻群算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)模糊控制參數(shù)調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，降低運(yùn)動(dòng)能耗。采用Denavit-Hartenberg方法建立機(jī)器人行動(dòng)軌跡方程式，將蟻群算法引入模糊控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以降低移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑控制的能耗。劉小英等[8]提出了基于PLC的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制方法。使用SIMATICS7-200系列的PLC作為機(jī)器人的核心控制器，利用關(guān)節(jié)空間插補(bǔ)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的控制方法能耗較低，具有一定的應(yīng)用效益。

工業(yè)機(jī)器人的步態(tài)軌跡規(guī)劃高效控制有助于其在復(fù)雜的路面環(huán)境上穩(wěn)定運(yùn)行，為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人步態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以提高工業(yè)機(jī)器人步態(tài)自動(dòng)控制的穩(wěn)定性，降低控制誤差，為步態(tài)自動(dòng)、高效控制提供基礎(chǔ)理論。

1 設(shè)計(jì)用于工業(yè)機(jī)器人步態(tài)控制的多層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

以工業(yè)應(yīng)用框架作為基礎(chǔ)理論，設(shè)計(jì)多層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[9-10]，主要包括工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)信息采集層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用控制層以及用戶登錄與數(shù)據(jù)分析層，其中的物聯(lián)網(wǎng)使用網(wǎng)絡(luò)包括通信網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，用于不同層級(jí)信息傳輸以及原始數(shù)據(jù)的采集與獲取。具體的多層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 信息采集層

信息采集層主要用于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)采集，在該層級(jí)中，連接整體系統(tǒng)的電源模塊與輸入輸出接口電路，并利用多傳感器采集狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，通過接口服務(wù)器傳輸至通信網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)，在該模塊內(nèi)連接LCD顯示器與鍵盤模塊，實(shí)現(xiàn)信息采集的可視化顯示[11]，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息采集層硬件結(jié)構(gòu)

其中，通過環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器、視覺傳感器和壓力傳感器，采集工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡及運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息。所用的接口服務(wù)器為RS-232數(shù)據(jù)傳輸接口，這是由于RS-232接口是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)之一，具有支持多種有效邏輯的優(yōu)勢，滿足數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，可以兼容不同傳感器采集得到的數(shù)據(jù)，且擁有良好的抗干擾性能，屬于自動(dòng)收發(fā)接口，該接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 RS-232接口示意圖

如圖3所示，使用的RS-232接口主要具有6個(gè)針腳，所對(duì)應(yīng)的參數(shù)與功能如表1所示。

表1 RS-232接口參數(shù)與功能

1.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人步態(tài)控制的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于使用普通計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)容易受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的限制，造成信號(hào)終端，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。為此，本文在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層中，使用了Zigbee組網(wǎng)程序。由于Zigbee組網(wǎng)自身帶有休眠機(jī)制，因其具有工作周期短、功耗較低的優(yōu)勢，且該芯片和協(xié)議成本較低。同時(shí)，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)層級(jí)之間的信息傳輸，Zigbee組網(wǎng)通信可以達(dá)到15 ms信道接入時(shí)延，可以快速將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱粚蛹?jí)中。由于僅在兩個(gè)層級(jí)內(nèi)使用，所以本文設(shè)計(jì)的Zigbee組網(wǎng)并未額外加入功率放大器，以降低能耗與成本，同時(shí)能滿足層級(jí)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆ａ槍?duì)上一層級(jí)利用多傳感器采集得到的數(shù)據(jù)，為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)沖突，Zigbee組網(wǎng)可以為通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，以保證工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。Zigbee組網(wǎng)程序工作流程如圖4所示。

圖4 Zigbee組網(wǎng)程序工作流程

1.3 應(yīng)用控制層

在應(yīng)用控制層內(nèi)，根據(jù)人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡及參數(shù)，設(shè)定工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度偏移幅度大小。用D-H法推導(dǎo)出機(jī)器人各個(gè)構(gòu)件間的齊次變換，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型劃定機(jī)器人移動(dòng)步態(tài)范圍，有效提高機(jī)器人移動(dòng)軌跡測算精度，降低能耗。

為獲得工業(yè)機(jī)器人在前進(jìn)方向x與左右方向y上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用D-H法構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型。設(shè)定工業(yè)機(jī)器人沿直線軌跡行動(dòng)，左足第一次移動(dòng)與第二次移動(dòng)之間的距離為Dstep，兩腳中點(diǎn)y方向距離是步寬Whip，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)模型如圖5所示。

圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)模型示意圖

在以上構(gòu)建了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)模型后，利用該層級(jí)服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用控制，結(jié)合視覺控制方法，將收取到的工業(yè)機(jī)器人位置與步態(tài)等運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行融合，然后根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的位置來計(jì)算機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，以了解工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人步態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，將許艷英等[7]提出的蟻群算法和劉小英等[8]提出的基于PLC的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制方法作為對(duì)比方法。所測試的工業(yè)機(jī)器人為具有高動(dòng)態(tài)性、高適應(yīng)性、高負(fù)載能力的液壓四足機(jī)器人。本文具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：物聯(lián)網(wǎng)頻率設(shè)置為2.4 GHz，覆蓋范圍≥200 m，帶寬20 Mb/s。以步態(tài)控制穩(wěn)定性以及控制誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比不同控制方法的實(shí)際性能。

2.1 步態(tài)控制穩(wěn)定性測試結(jié)果

以工業(yè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角作為測試因子，判斷不同方法下的測試轉(zhuǎn)角變化情況，測試得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 步態(tài)控制穩(wěn)定性測試結(jié)果

由圖6可以看出，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到的轉(zhuǎn)角控制結(jié)果與工業(yè)機(jī)器人實(shí)際結(jié)果相接近，而另外兩種方法的測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差相對(duì)較大，且控制轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)角波動(dòng)幅度較大，與實(shí)際轉(zhuǎn)角曲線不一致。由此說明了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的控制穩(wěn)定性，且對(duì)轉(zhuǎn)角控制的誤差較低。

2.2 控制誤差測試結(jié)果

以機(jī)器人轉(zhuǎn)角、力矩、角速度在控制后的變化狀態(tài)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此驗(yàn)證各個(gè)方法在步態(tài)控制時(shí)的控制效果，求取三個(gè)指標(biāo)下的控制誤差均值，得到不同方法控制下的控制誤差結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)圖7測試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制機(jī)器人步態(tài)條件下，所得到的控制結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的擬合度最高，擬合度范圍為95%～100%，證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體控制誤差較低，同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)控制次數(shù)的增加，擬合度結(jié)果的波動(dòng)范圍不大，證明本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可能具有較為良好的控制效果。而其他兩種控制方法隨著實(shí)驗(yàn)控制次數(shù)的增加，擬合度雖然波動(dòng)范圍不大，但仍高于本文系統(tǒng)；且整體的擬合度明顯低于本文系統(tǒng)。這可能是由于本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合多個(gè)傳感器采集機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息，采集的信息數(shù)據(jù)更為全面，與復(fù)雜環(huán)境的融合度較好，從而在一定程度上改善了整體步態(tài)控制效果。

2.3 運(yùn)動(dòng)角度偏移精準(zhǔn)度測試結(jié)果

在60 min內(nèi)測試工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)控制效果即工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角度偏移精準(zhǔn)度，精準(zhǔn)度越高控制效果越好。不同方法控制下的運(yùn)動(dòng)角度偏移精準(zhǔn)度結(jié)果如表2所示。

表2 精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間的增加，三種控制方法的運(yùn)動(dòng)角度偏移精準(zhǔn)度均有所下降。但是，在同一運(yùn)行時(shí)間下，本文系統(tǒng)的移動(dòng)控制效果優(yōu)于采用蟻群算法優(yōu)化的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑能耗模糊控制方法和基于PLC的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制方法。這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)利用D-H法構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)定工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)軌跡，提高了工業(yè)機(jī)器人位置與步態(tài)控制效果，進(jìn)而提升運(yùn)動(dòng)角度偏移精準(zhǔn)度。

3 結(jié)語

在工業(yè)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣，鑒于工業(yè)機(jī)器人可以在一定程度上代替人工完成相對(duì)復(fù)雜環(huán)境中較為困難的、機(jī)械式重復(fù)的工作，因此工業(yè)機(jī)器人成為了目前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)目前工業(yè)機(jī)器人控制誤差較大以及穩(wěn)定性較差的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人步態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。利用多傳感器采集機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)性的完整數(shù)據(jù)傳輸，在應(yīng)用控制層進(jìn)行準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)用戶客戶端數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且控制誤差較低，為實(shí)際工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化控制提供參考依據(jù)。