呂立新 李 慶 李 路 王程民

(1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系, 安徽 蕪湖 241002；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)器人研究所, 江蘇 淮安 223003)

機(jī)器人是融合機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的一門綜合性的高新技術(shù)。裝配機(jī)器人可按給定的引導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)至物料存放處，完成物料的搬運(yùn)后，再運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的安裝工位，完成產(chǎn)品的裝配。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，裝配機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛。

本文結(jié)合2013年全國(guó)職業(yè)院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大賽的任務(wù)要求，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、顏色識(shí)別和精確定位等技術(shù)開發(fā)了一種裝配機(jī)器人，完成了機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于PD控制原理的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法。該算法可使機(jī)器人準(zhǔn)確地進(jìn)行路徑識(shí)別和運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精確定位，完成工件的抓取、顏色識(shí)別和精度裝配等一系列任務(wù)。

1 機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配機(jī)器人一般需要根據(jù)工作場(chǎng)地上的白色引導(dǎo)線自主進(jìn)行路徑識(shí)別和姿態(tài)控制，還必須能對(duì)工件的位置進(jìn)行精確定位并識(shí)別工件的顏色，從而抓取正確的工件進(jìn)行精度裝配。要設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)器人，首要任務(wù)是完成機(jī)器人的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是完成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維建模、動(dòng)態(tài)仿真、零件加工及裝配；電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)器人的主控制電路、傳感器電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

1.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種高性能的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅能簡(jiǎn)化控制算法設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，還能提高機(jī)器人運(yùn)行控制精度。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型如圖1(a)所示，圖1(b)為加工裝配完成的機(jī)器人實(shí)體。機(jī)器人的機(jī)械部分主要由運(yùn)動(dòng)底盤、導(dǎo)軌提升機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)、工件抓取機(jī)構(gòu)、工件存放機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)組成。所有的零件均在SolidWorks2012中進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行裝配仿真，確認(rèn)尺寸無誤后生成CNC機(jī)床加工文件進(jìn)行加工。

1.2 機(jī)器人電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的電路控制系統(tǒng)主要由主控制板電路模塊、巡線控制模塊、定位控制模塊和電機(jī)控制模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控板是機(jī)器人的處理中樞，負(fù)責(zé)接收、處理各類傳感器采集到的信息，并根據(jù)信息處理結(jié)果向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令。主控制板使用新一代高速、低功耗單片機(jī)STC12C5A60S2作為微控制器，該控制器的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但運(yùn)算速度可達(dá)傳統(tǒng)8051單片機(jī)的12倍，芯片提供了2路PWM輸出和8路高速10位AD轉(zhuǎn)換，內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。在主控制板中使用了2片74H245芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)P2口的復(fù)用，使用P1.0引腳進(jìn)行片選控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)16路巡線傳感器數(shù)據(jù)的讀取。使用單片機(jī)的P3口和P0口的部分引腳和高速光耦芯片擴(kuò)展了8路支持12V電平輸入的傳感器接口以滿足信號(hào)的輸入需求。

圖1 機(jī)器人機(jī)械組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)器人電路控制系統(tǒng)組成框圖

巡線控制模塊主要包括安裝于機(jī)器人底盤下的2個(gè)16路引導(dǎo)線檢測(cè)傳感器、2個(gè)傳感器信號(hào)處理板和一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合板。16路引導(dǎo)線檢測(cè)傳感器可檢測(cè)到場(chǎng)地上的白色引導(dǎo)線及十字交叉點(diǎn)，其電路非常簡(jiǎn)單，使用16路的高亮LED發(fā)射管作為發(fā)光源，使用16路光敏電阻接收從地面反射回來的光線，將反射光線的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳送到傳感器信號(hào)處理板，對(duì)16路引導(dǎo)線檢測(cè)傳感器采集到的地面引導(dǎo)線信息進(jìn)行處理，對(duì)光敏電阻接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后將放大后的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，過濾掉環(huán)境中的干擾信號(hào)后，再將有效信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓、放大處理后送入傳感器融合板。單路信號(hào)的放大和比較電路原理如圖3所示。傳感器數(shù)據(jù)融合板將傳送來的信號(hào)進(jìn)行暫存，然后輸入到主控制板的對(duì)應(yīng)接口。傳感器數(shù)據(jù)融合板使用了4片74HC245芯片，分別用來存儲(chǔ)前16路和后16路巡線傳感器的數(shù)據(jù)，通過一個(gè)片選信號(hào)來控制將哪路信號(hào)輸入到主控制板。

圖3 單路信號(hào)的放大和比較電路原理圖

電機(jī)控制模塊主要由行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板通過主控板發(fā)來的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)和方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板電路原理如圖4所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上設(shè)置了2路MOS管電路，使用IR2110功率驅(qū)動(dòng)集成芯片。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，可靠性很高。IR2110輸入信號(hào)為主控制器輸出的PWM脈寬信號(hào)，其輸出信號(hào)直接控制75N75MOS管的通斷。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制是使用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器來實(shí)現(xiàn)的，這種方式較MOS管橋式電路更可靠。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板電路原理圖

定位控制模塊主要由位于X、Y、Z軸上的3個(gè)光電檢測(cè)傳感器，2個(gè)用于車輪定位的紅外檢測(cè)傳感器，用于定位檢測(cè)的2個(gè)觸碰傳感器和1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)處理板組成。光電傳感器用于采集機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的當(dāng)前姿態(tài)，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行到指定姿態(tài)時(shí)傳感器將發(fā)送信號(hào)給傳感器數(shù)據(jù)處理板。車輪定位傳感器使用兩個(gè)紅外檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)行姿態(tài)是否在引導(dǎo)線上，用來輔助機(jī)器人進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎。定位檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人是否運(yùn)動(dòng)到了工件存放位，從而為后面的工件抓取和裝配提供幫助。定位傳感器數(shù)據(jù)處理板主要是對(duì)采集到的各傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過多通道選擇芯片將采集到的傳感器信號(hào)輸入到主控制板的外部中斷引腳。

ZigBee模塊使用CC2530芯片，通過串口與主控板通信，主要用于接收上位機(jī)發(fā)來的任務(wù)指令。使用日本基恩士公司的CZ-V21A型光纖顏色識(shí)別傳感器和CZ-H32信號(hào)放大器構(gòu)建顏色傳感器系統(tǒng)，用于識(shí)別工件的顏色。

2 機(jī)器人運(yùn)行控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人的運(yùn)行控制程序主要包括行走控制程序、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制程序和定位控制程序。行走控制程序是對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行控制，使機(jī)器人按規(guī)劃好的路徑行走。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制程序是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到抓取工件的目的。定位控制程序?yàn)樾凶呖刂瞥绦蚝蛨?zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制程序提供幫助，使機(jī)器人達(dá)到理想的控制姿態(tài)，從而完成轉(zhuǎn)彎、抓取工件等任務(wù)。

2.1 基于PD的巡線行走控制算法

行走控制算法是控制機(jī)器人沿白色引導(dǎo)線按給定的速度穩(wěn)定運(yùn)行。由于機(jī)器底盤安裝精度、電機(jī)性能差異等因素的存在，機(jī)器人的左右驅(qū)動(dòng)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不可能完全一致，因此即使主控板以相同的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)2個(gè)行走電機(jī)，也會(huì)使機(jī)器人的姿態(tài)偏離引導(dǎo)線。行走控制算法是通過安裝在機(jī)器人底部前后各16路傳感器獲取機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算機(jī)分析機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)與引導(dǎo)線的偏移量，控制機(jī)器人從當(dāng)前姿態(tài)向理想的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。

機(jī)器人巡線算法主要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的控制，一個(gè)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的控制。方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制均采用PD(比例、微分)控制。在方向控制上首先讀取前后16路巡線傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，來確定機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)，機(jī)器人在白線上的狀態(tài)可能處于正常狀態(tài)、左偏狀態(tài)或右偏狀態(tài)。

不同狀態(tài)下巡線傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)也不同，通過將當(dāng)前狀態(tài)下傳感器的數(shù)據(jù)與正常狀態(tài)下的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而確定方向控制參數(shù)比例因子Pdir，然后再將狀態(tài)調(diào)整前傳感器的值與狀態(tài)調(diào)整后傳感器的值進(jìn)行比較處理，從而確定方向控制參數(shù)微分因子Ddir，在確定PD控制參數(shù)后，巡線算法會(huì)給左右電機(jī)不同的PWM脈寬信號(hào)，從而在左右輪上產(chǎn)生差速度來調(diào)整機(jī)器人的狀態(tài)向正常狀態(tài)變化。速度控制是根據(jù)電機(jī)的實(shí)際輸出速度與給定速度的差確定速度控制比例因子Pspeed和速度控制微分因子Dspeed，通過PD參數(shù)控制電機(jī)的PWM脈寬值，使電機(jī)實(shí)際輸出速度逐步過度到給定速度。整個(gè)巡線控制算法框圖如圖5所示。

圖5 巡線控制算法控制框圖

2.2 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎控制算法

當(dāng)機(jī)器人完成預(yù)定的行走里程時(shí)，需要轉(zhuǎn)彎進(jìn)入另外一條交叉的引導(dǎo)線，此時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相對(duì)于引導(dǎo)線必須進(jìn)行一個(gè)90°的轉(zhuǎn)彎過程，為了使其軸線盡量與引導(dǎo)線對(duì)齊，應(yīng)使機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心與交叉引導(dǎo)線的交點(diǎn)重合，這樣機(jī)器人在轉(zhuǎn)90°后可以保證其運(yùn)行姿態(tài)的正確性。為了達(dá)到這一目的，使用2個(gè)光電傳感器來進(jìn)行車輪的輔助定位，即當(dāng)2個(gè)車輪定位傳感器均在白線上時(shí)，才進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎控制算法流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎算法流程圖

2.3 機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制算法

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定的工件存放位時(shí)需要運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序，實(shí)現(xiàn)工件的抓取。由于本次任務(wù)需進(jìn)行工件的裝配，因而對(duì)機(jī)器人在工件存放位的定位精度要求比較高。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制算法的流程如圖7所示。機(jī)器人運(yùn)到指定的貨柜后，首先判斷位于機(jī)器人前端的兩個(gè)定位叉中的兩個(gè)觸碰開關(guān)是否接觸到了貨柜的定位柱，如果沒有接觸到定位柱則進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。當(dāng)定位滿足要求時(shí)，運(yùn)行上肢運(yùn)動(dòng)程序，調(diào)整機(jī)械手在X軸和Y軸上的距離，使得機(jī)械手達(dá)到抓取狀態(tài)，機(jī)械手通過電磁閥的通斷控制氣流實(shí)現(xiàn)工件的抓取。

3 結(jié) 論

本文給出一種裝配機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)完成的機(jī)器人在參加全國(guó)機(jī)器人技術(shù)競(jìng)賽的過程中經(jīng)受住了比賽環(huán)境中各種干擾因素的考驗(yàn)，取得了全國(guó)二等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)?；赑D的機(jī)器人運(yùn)行控制算法可以可靠地控制機(jī)器人根據(jù)引導(dǎo)線自主運(yùn)動(dòng)，其控制的穩(wěn)定性和定位的準(zhǔn)確性非常好，為物料搬運(yùn)、工件裝配等工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。

圖7 機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)算法流程圖

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