搬运机器人控制系统设计

搬运机器人控制系统设计摘要：搬运机器人产品作为一种比较典型的工业机器人，被广泛地应用到石油、天然气、煤炭、电子、机械、机具、工艺、机械等各种行业，并向其他领域进行不断地延伸、发展。随着现代计算机技术和现场总线技术的不断进步和发展，可扩充、可移植、互联、更容易集成的开放式控制系统正逐渐成为现代控制系统的发展趋势。本文主要以搬运机器人的控制系统为主要研究对象，基于移动式机器人技术在现场搬运操作中的应用，将当前较为流行的移动式机器人控制系统和具体搬运操作中的控制方法相互地结合起来进行了研究和分析。关键词：搬运机器人；控制系统；设计绪论工业机器人行业作为一个新兴的信息时代产业，为推动现代工业的高速自动化生产及先进设备制造提供了一个极为重要的基础和技术保障，其在拓宽企业规模、扩大生产力、促进经济社会的发展等各个方面所能够起到的意义也愈显突出。作为一种现代化企业生产的全部必须具有不可取代性的重要技术手段和不可忽视的工业装置，工业机器人已在很大程度上改变了整个社会的生产、生活方式。外资上市公司以及一些民营国有大型制造企业，对于民营、中小型的制造企业而言，用不上、用得起、做得不好的都是工业制造机器人这类产品技术含量相对较高、生产成本相对昂贵的大型工业和民用自动化制造设备。积极进行实体经济管理结构的良性调整、产业结构调整优化和企业转型改造升级的各种迫切需要，许多民营、中小型的民营企业已经逐渐地充分正确意识和看到了工业自动化作为工业生产设备的重要应用性和优势，因此在许多民营企业的实际生产中已经逐步性地开始认真考虑如何利用目前工业化的机器人技术来直接代替我们传统的的人工智能操作，且其技术发展的迭代速度很快、延伸和连贯性非常强。从总体上来来看，虽然与上述两家公司和其他现代机器人智能制造装备企业仍然之间存在着明显的技术差距，但是市场潜力和发展前景巨大。1.1研究背景与意义提高安全和可靠度的需要同时，能够有效率地减少企业人力资源的大量开支、促进中小企业发展实现社会经济效益的实现最大化、推进了中小企业进行产业结构调整转型改造升级和企业市场竞争。尤其特别多的是经过近些年来，伴随着当前我国先进现代科学工程技术的伟大跨越进步和快速经济发展、企业安全生产管理经营规模的不断扩大持续发展壮大以及我国企业安全生产经营管理系统自动化应用程度的不断提高增强，搬运工业机器人装备在生产操作上的自动柔性、操作速度、故障分析诊断和事故处理反应能力及安全性和可靠性等各个方面的基本功能在不断得到改善和逐步提高的基础上，开发中的费用和制造成本正在不断扩大下降;同时，受益于当前我们党和国家的企业科研扶持政策不断完善、科研开发资金投入的不断扩大增强、对于民用工业搬运机器人装备制造技术产业及其他技术相关企业公司的大力投资支持，我国民用工业搬运机器人制造技术已经不断取得了一些历史性的长足进步，搬运工业机器人也已经得以不断地得到推广和广泛应用，在实际上有效促进了工业机器人制造技术的进一步不断地发展完善、成熟。这些均已经有效的直接促进了我国移动交通搬运业和机器人技术在服务行业内的快速推广和广泛应用以及其对于整体服务行业的快速产品化。（1）目前现有的国产大型搬运机器人在工作时的负载能力普遍相对较低，对于许多工作中需要一定的高负载能力的场所譬如:铸造、汽车制动等，都不能完全满足它们的需求。（2）市场需求的变化是产品技术创新的一个根本驱动力，课题研究工作应该紧紧地迎合产品市场的变化和需求，在实际推广和应用中不断地完善和改进，这是推动产品技术的发展、进步的一个根本规律，与此同时，要高度重视产品企业自身作为产品技术推广服务平台对于产品的发展及其应用所能够起到的重大促进作用。1.2国内外发展现状1.2.1搬运机器人发展现状在国外，搬运车和机器人的先进技术和它们的商业推广应用目前己经非常成熟。作为一种国际标准的用于现代机械工业的全自动化生产设备，搬运车械机器人技术僻经被广泛应用于各种机械工业生产、制造的各领域，大部分用于现代机械工业的全自动化的工业生产线均有的是直接采用自动搬运车械机器人技术来直接代替一些传统的机械人工进行搬运机械操作。目前，搬运工业机器人的中国市场主要被中国日本、欧美等发达国家和开发地区所公司占据:日本体系中主要产业包括产品yaskawa.fanuc、∞>otc、nachi、kawasaki等，欧美公司体系中主要产品包括yakuka、abb、comau等，其中许多跨国公司甚至已发展成为其他国家公司总部所在国的地区和发达国家的重要政治经济社会支柱和大企业式。与国外企业相比，国内的大型工业工程机器人技术研发企业技术基础薄弱、起步较迟。在中共党中央以及党和国家有关主管部门积极牵头及其他多项相关国家优惠政策的大力鼓励支持下，针对许多种不同类型的现代工业应用机器人，例如:点火钎焊、孤立连接、喷涂、搬运等，开展了一些国家重点的工业科技创新项目技术攻关，并且已经成功取得了一大批的技术科研成果，造就了当前关于我国现代工业应用机器人相关领域技术研究的第一个崭新高潮。但由于国内遭遇诸多不同原因的政策限制，例如民用机器人高速控制传动系统和新型ac自动伺服系统、rv自动减速机等诸多行业关键配套零部件的大量出现以及产品进口配套困难、国产品技术质量严重不过关等，国内民用机器人制造行业始终一直未能初步形成一定生存发展规模，在关键配套的相关零部件等诸多领域一直都认为是主要靠外国进口。图1-1搬运机器人但是就其总体而言，与国外企业相比，目前国内的大型搬运机器人不论是其技术成熟程度还是在产业化和推广应用上都还只是处于初级起步阶段。国产的搬运机器人在安全、可靠性、智能化、搬运操纵速度、重复工艺精度等许多方面，与国外的产品相比，都有所差距。因此，不仅我们企业需要充分地及时结合当前当下我国的市场实际和相关市场的发国情况并针对行业搬运运输机器人及其产品相关行业的发展现状情况做出深入的市场调研和广泛的行业研究，以便于全面、细致地研究制定和合理规划国内外行业搬运运输机器人及其诸多技术相关产品行业，更好地利用聚焦国内外的行业优势技术资源积极地投入推进其技术工业化的发展过程，而且还我们需要根据我们企业实际的产品生产线和经营发展情况、顾客的不同要求，更加努力快速解决、更加努力加快地快速建立和更新完善我们的国产产品企业针对现有的在搬家和运输移动机器人行业工作中可能存在的技术缺陷与存在问题，研究、探索、开发了行业搬运运输机器人行业工作过程中的新技术功能、新技术特征，并积极研究探索了行业搬运运输机器人行业工作中各种技术产业化的发展技术方向，不断逐步提升了当前我国的行业搬运运输机器人行业工作中各种产业技术水平，从而有效促进了整个行业搬运运输机器人行业工作中各种技术产业化的发展进程。1.2.2机器人控制系统发展现状对机器人控制系统的体系架构进行了研究，主要目的就是为了研究机器人控制系统中不同的功能模块之间的相互关系。随着在各类生产设备领域的广泛应用和普及，机器人逐渐已经发展成为我国工业自动化生产管理系统的一个标准化组件单元，这已经逐渐成为当前现代化机械生产的一种发展趋势。硬件与控制软件必须是完整的，而机器人也是控制器和仪表必须十分重视的两个组成部分。机器人和微控制器的功能设计工作过程主要分为包括各种基础性的功能设计和各种结构化的功能设计，其中所谓基础性的功能设计主要内容指的就是通过软件实现控制算法以及其他的对控制系统功能的准确定义，结构化的功能设计就是在软、硬件的结合平台上可以实现各类控制功能的合理灵活划分和准确传递的控制功能。由对具体的自动控制器、控制软件系统硬件、单独系统控制的软件研究，转变发展到对具体开放式系统硬件结构、控制器系统软件、多机器人协调控制的硬件研究，这些都已经是当前关于机器人自动控制器的硬件研究技术发展最新鲜的思路与发展趋势。国外对于移动机器人搬运控制器的深入应用研究和在我国国内开展的研究时间相对较早，目前已经广泛接触了解到了来自世界各国和地区乃至目前全国国内主流的大型移动搬运企业机器人部件制造商和设备生产商的工厂。日本、欧美的这些不同类型工业机器人运动控制智能仪表的整体运动控制处理能力良好、技术成熟应用程度高、安全性和可靠性强、智能化度和管理水平高，并且我们比较有利于针对性地对其进行了许多一些具有高度创新发展意识、前瞻性的技术探索。针对采用微处理器的这种开放式模块管理体系设计架构，尤其多的是在模块功能的合理分配、模块之间的各种信息交流互动和数据交换以及各个模块功能所应用需要自动实现的基本理论、具体技术手段和管理方法，国外已经为此投入了巨大的科研资金、人力和精神物力，也已经成功取得了许多的国外科研成果。其中，比较活跃具有国际影响、比较成熟富有国际代表性的主要群体是现代欧洲。SECO而国内针对于工业机器人的自动控制器系统结构的深入研究相对较少、开始的技术研究相对较晚，国内的相关研究指导工作更多地主要集中于对工业机器人的自动控制系统战略、算法等各个方面问题进行深入研究。但国内近几年在充分、反复地分析比较以上三种管理体系组件结构的性能优劣基础上，将应用OMACOM体系组件结构与应用COM体系组件管理技术有机地充分紧密结合在一起，搭建设计出一套完全具有开放式组件体系管理结构的组件控制器，掌握了国内一系列人在实现开放式管理体系组件结构时所需要的、共性的、关键技术，譬如应用COM体系组件管理技术、实时任务运行管理系统及其他各种多任务的自动调度。然而，总体情况来看，差距还是相当明显的。开放式系统体系架构的控制设备系统的主要硬件平台以工控机为主，然而在对于软件平台进行选型时，其选择的余地比较多。对于科学家和研发者的技术要求相对比较低、开发困难程度相对比较小，缺点之处就是其价格昂贵而且导致了开发费用高、基础设施差、底层技术和保密问题，此类软件平台的最大优点主要就是在于应用软件开发源代码完全开放、可以进行完全免费开放使用、不至于需要任何涉及软件得到自主知识产权以及其在基础软件设施的最底层没有应用软件开发的技术局限性，缺点主要就是对于软件研发专业人才的技术质量水平要求比较高、开发困难严重程度大、周期长、工作量大、相关的专业技术扶持支撑少，不利于其它的后续业务发展、优化和管來。软件平台的正确选择直接影响涉及到控制系统的研究和开发困难、价格和成本等许多实践中的问题，因此我们在到底该如何选择什么样的软件平台这个问题上，国内面临着许多困难的选择。它主要是基于作为一种运动控制器硬件基础上的一种底层软件架构的一种运动控制器，是用于实现对运动机器人身体进行实时速度运动和动态控制的一个重要技术核心和可组成的元部件。其中一些比较出色、也很多具有国际影响力和具有代表性的技术产品，国外先进高新技术企业包括AAPMAC、GALIL、TRIO、MEI、ACS>AEROTECH、BALDOR、PARKER等，国内先进高新技术企业包括固高运动控制器，其发展趋势都通常应该肯定是以先进的、高性能的运动DSP与DSFPGA元件作为主要的系统核心运动控制元件，通过软件与伺服控制技术结合来自动实现更加复杂的系统运动控制设计算法，具有一个更加易于进行拓宽、集成的运动开放式系统软件结构。譬如说由美国CIMETRIX公司最新产品自主开发研制的ETR0BLINE智能运动系统控制器，是一种基于RXLYNXOS的运动操作系统、并且同时具有开放式智能运动系统体系管理架构的一种底层智能运动系统控制器，在基于国际标准的不同运动操作系统平台下，它们就能够轻松地自动实现对多种不同类型运动机器人的远程控制和自动采购。而诸如YASKAWA.ABB、KUKA等几个国内外较为主流的工业机器人软件制造商和生产厂家为了能够实现对工业机器人运动进行高精尖、复杂的对运动的远程控制，所以他们采用的系统底层软件运动操作控制器大都用的是基于YXVXWORKS的运动操作系统。2搬运机器人控制系统总体设计2.1系统功能需求分析仓库物流处理机器人在电子商务物流中心的工作区整齐地放置了几个架子。仓库物流处理机器人会等待出口职员的指示，接到指示后可以走到货架底部。升降机构用于将货架运送到分类区进行操作，并将货架移动到原位置。为了提高收纳空间的利用效率，尽可能多的摆放搁板，搁板采用多层结构。放置货架时，留出货架宽度的位置，让机器人在移动货架时可以通过。实现以下功能:(1)处理功能:仓库处理机器人应实现移动功能。(2)导航和定位(3)无线通信功能。(4)安全避障功能:要求机器人在行走过程中具有的功能。积极地回避障碍物。机器人遇到障碍物的话为了保障工作的安全会采取回避措施。(5)自主充电功能:搬运机器人消除了工作时间限制，提高了物流和货物运输的效率。自主充电技术的实现，可以有效提高机器人运输的效率。结合以上进货和物流功能要求，对国内外机器人特性进行了分析和总结，并提出了进货和装卸机器人的性能指标，见表2.1。表2.1搬运机器人性能参数指标类目说明底盘尺寸长*宽(0.5m*0.5m)本体重量40kg最大搬运重量80kg搬运方式潜伏式驱动方式直流无刷电机举升方式电动推杆最大移动速度0.3m/s额定工作电压DC24V通信方式无线通信2.2系统方案设计2.2.1系统总体组成结构从上节的功能需求及其性能参数出发，对搬运机器人进行控制系统方案的设计，本文将控制系统分为以下六个子模块进行设计:(1)电源及其管理模块。(2)主控制模块:是控制系统的“脑”，主要对各个模块起协调作用。主控制模块可以从每个模块接收反馈信息，进行有效的决策和流程，然后用它来控制相关的模块。(3)运动控制模块:MCU发送控制指令，接收后机器人可向指定位置移动。指令物体必须笔直行走或旋转。本文所研究的运动控制对象包括两个驱动轮的无刷控制。起吊机构直流电机控制和起吊电机控制。机器人在运动过程中要控制马达的速度和方向。(4)避障模块:用于机器人在运动过程中感知障碍物，防止机器人碰撞或损坏。在本论文中，当机器人遇到障碍物时，会执行相应的回避动作并进入休止等待状态。(5)导航定位模块。(6)无线通信模块。2.2.2导航定位方式选择导航定位技术是需要解决的首要问题。目前主流搬运机器人导航方法主要包含以下6种:(1)电磁感应是先把感应电缆埋在地下，再将感应线圈安装在自导车辆上。优点:使用成熟技术，成本低，隐藏领先，不适合狭窄的保存环境。(2)磁带导引是在路面上铺设磁条、磁钉来取代埋设在地下的金属线。磁带布置点简单，灵活变更或扩展路径，不受轻微变化影响;缺点:破坏仓库原有的车间环境。(3)光学导引是在路面上铺设有色带等有色物质。用光学传感器带收集道路信息，提取识别的路线颜色偏差，从而完成AGV的引导。优点:你可以直接贴在表面上。使用灵活、配置反射光带方便、成本低、路线修改和维护方便;缺点:对丝带沾染和机械磨损非常敏感，因此该方法的可靠性低。污染反射波段会降低可靠性和准确性。它的反射带也会受到很大的光的影响。鉴于存储环境，机器人较多，且机器人频繁运动，图像处理效果不好，不能识别路径色差。2.2.3通信方式选择在实际的物流仓库中，机器人操作环境就是大面积仓库，需要多台机器人一起处理工作。操作员使用仓库物流中心的终端发出指令，调度和控制每个机器人的加工任务。同时，机器人需要将相关的状态信息传送给上层计算机，因此通信模式是无线通信模式。无线通信方式主要包括ZigBee通信、Bluetooth通信和WiFi通信技术。(1)zigbee。ZigBee是一个基于ieee802.15.4标准(2)Bluetooth的LAN协议。蓝牙是一种适合本地数据传输的无线技术。(3)WiFi。WiFi是一项非常适合传输中、远距离数据的无线技术。快速传播信息，涵盖范围更广。2.3搬运机器人机械结构概要设计2.3.1总体构造设计操作机器人结构主要包括底盘结构，起吊机制和传感器。操控机器人本体的底盘机制主要是支持机器人整体结构的主要框架。在物流物流中心的装卸工作中，主要使用装卸机器人，因此，需加强压载结构的强度。用钢板做地板，可以提高机器人的刚性。外壳类似于保护机器人内部部分的皮肤。机器人的提升机制是机器人完成提升的核心部件。它携带的传感器保证了它的平稳运行。其结构如图2.1所示。图2.1机器人结构示意图2.3.2驱动方式选择现在机器人的主要行驶模式是两轮驱动和四轮驱动。这种模式成本较高，结构复杂，且相对难控制。非常适合在特殊环境下工作的机器人。所以采用两轮驱动模式。为了提高搬运机器人的承载能力，四个通用滚轮被选择来分担负载。2.3.3底盘传感器安装位置设计搬运机器人底盘直径为49cm，除了驱动轮驱动马达外，机器人的底盘还装有导航定位模块传感器和安全避险模块。灰色跟踪传感器用于在地面上定位线。操纵机器人控制系统采用二重化系统，以提高机器人路径的准确性。二维码阅读器安装在机架中心的前端，可读取包含二维码信息的二维码标识，方便机器人定位。建设现场2楼前后段红外线传感器将被用作机器人防止碰撞的保护装置。2.3.4外壳设计外壳是机器人的外壳，它可以保护机器人的内部装置。在白皮书中，我们使用SolidWorks软件设计了一个操作机器人的外壳模型。我们使用3D打印材料PLA打印机器人外壳，通过3D打印技术。2.4搬运机器人控制系统核心部件选型.2.4.1运动控制模块选型电机选型。电机是机器人的执行部分，主要电机分为步进电机、交流伺服电机和直流电机三种。步进电机不需要反馈信号，控制结构简单，但难以实现高性能控制。交流伺服电机采用交流电源方式，不适合在现代物流环境中使用装卸机器人。选择无刷DC电机作为机器人运动的执行部分。直流无刷电机具有结构简单、反应速度快、控制模式简单、调速效果好等优点。2.4.2供电电池选型目前AGV汽车使用的电池有铅蓄电池、镍港电池、凯恩电池三种。铅蓄电池以其价格低、制造方便的特点首次得到应用，广泛应用于电动自行车和大型AGV中。但它具有体积大、重量重、充电时间长等缺点，不适合用于机器人。镍锡电池充电速度很快，但重复使用会造成严重的“记忆效应”，不适合仓储和物流。近年来，文件电池现在广泛用于机器人和移动电话等移动设备的移动电源。与铅酸和镍锡电池相比，档案电池的体积小、能量密度高、充电方便、放电效果好、存储电量达10点以上。在相同体积下，它的存储容量是铅蓄电池和镍锡蓄电池的4倍。所以在本文中我们选择锂电池作为手控机器人的电源。按照使用电池的习惯，超出电池保护的20ahKeng锂电池可以充50%的电，充电10分钟以上后电池就能完全充电。机器人主要消耗移动的电能。其中一个驱动马达是120W，这个机器人有两个DC马达。240W的马达。除了举升电机及主控板元件耗电量较低以外，估计最大耗电量约为270瓦。由于大多数部件都在24V的电压下工作，因此机器人的功耗很低，并且根据计算，工作中的AGV最大电流需求是11.25a。当机器人在满负荷工作一小时后，必须在充电点充电。2.4.3导航定位模块选型以惯性导航为主导航模式，为提高导航精度并掌握机器人的位置信息，由于机器人在存储环境中经常移动，不宜使用射频卡等主要材料。就是用二维码位图像作为地标位置，二维码位信息由专门的二维码位读取器读取，以便实现机器人的位置。二维码表阅读器将处理后的数据传送给机器人控制系统，通过串联通信进行处理。2.4.4红外避障模块选型选用红外光电传感器作为主动式避障装置。如果前方没有障碍物，发光体发出的红外线就不会被收集器接收。当其他搬运机器人或人员通过仓库物流时，光线被切断，红外光线会发生部分反射光。收集器收到光信号后输出一个开关信号，机器人通过一个嵌入式系统的控制信号立即停止工作。本文使用omron公司的e3z-d61红外光电传感器。工作电压12-24V，感知距离可达LM。因为机器人的移动路径是固定的，所以只在机器人前后安装传感器就可以了。为了提高机器人系统的可靠性，消除机器人的盲点，需要多对红外避障传感器。2.4.5无线通信模块选型在实际移动过程中，搬运机器人应该由仓库管理中心进行控制。同时，它自己的信息会通过特定的协议传输到仓库管理中心。本文选择无线通信来实现机器人和主机之间的通信。zlan7142串口转换器工作电压为9-24V，传输速率支持1200-460800bps。有五种校验模式:None、奇校验、偶校验、Mark，Space格。3搬运机器人控制系统硬件设计与实现3.1引言如图3-1所示，机械控制体和自动控制处理系统是实际工业过程机器人完整控制系统中必不可少的两个部分。自动控制系统本身必须作为一种精神神经中枢和大脑来操作机器人，并要求其具有操作能力，以便通过操作来完成各种实际操作工序和现场工作的所有物理动作。根据操作员的操作程序，自动控制手控机器人的各种身体动作。无论是否先进，都直接决定着操作机器人的控制技术和工作性能，以及其应用水平。智能型启动。传感器和运动处理控制系统的应用可能是多种多样的，motion状态控制无论处理手段丰富还是不然motion人类-互动技术好的电脑控制能力是否可以有效地制作出操作简单安全,无论是不是可以信赖的不管是不是非常智能的实时是否可以使用是否有效的开放性和这样的问题我们一般使用的有可能是大错,大型卡车或这有助于判断机器人的运动控制和处理系统好、坏、或系统性能好或不好。图3-1机器人控制系统要素3.2技术要求在设计TPR系列操控机器人的软硬件平台和功能之前，首先要将实际操控任务与各种操控机器人的特定特性结合起来，并清楚地理解操控机器人的应用。并满足机器人的一些基本技术条件和所应满足的要求。这样，我们在设计控制系统的项目时就有了明确的目标，并且能确定设计所需要的所有控制系统都能适应实际操作和操作。因此，过程控制管理系统的软件必须具备一些基本设计条件，才能在硬件和软件设计平台上完全满足。（1）作为一种普通的工业装置，马达必须具有良好的性能和技术条件，并能适应工业现场环境的特殊要求。非常安全、可靠，在突然停电或其他危险情况下不发生故障。（2）整个控制器系统的整体结构紧凑，可完全集成于传统的控制盒中。（3）控制网络系统本身的设计应具有良好的网络可持续性、开放性和智能，还应满足远程监控、网络通信、故障自动化和自动遥感诊断的要求。（4）操纵机器人的每个轴承的调减速是频繁的。在计算功能方面，应严格要求响应速度足够快，能够实时规划运动轨迹，以满足多自由度手抓机器人运动管理、控制和规划的要求。（5）易于操作，具有良好的自动人机交互控制功能。3.3控制方案目前在工业过程机器人控制自动化过程控制管理系统中广泛应用的控制自动化系统的控制结构可分为以下三种类型。独立CPUU的集中式自动控制。与其他早期工业应用机器人，如ROBOT-RHERO-I相比，整个控制处理系统大部分直接由这类整体控制结构构成。优点:结构简单、成本低。缺点:计算速度慢、实时性差、难以扩展。图3-2集中式控制结构（2）二级CPU主从式控制两级系统CPU系统采用双向主从自动控制系统模型设计。机器人运动软件的功能包括多语言进程编译、系统管理和其他基本任务，其功能主要由三级(第一级称为CPU)的CPU软件设计和实现。同时，强大的运动计算处理能力可以用来直接自动完成第一级机器人运动坐标的直接转换。运动处理轨迹可直接载入、恢复并生成，计算的运动值和操作结果会随时间直接存储于公开软件内存。内存CPU(辅助)可实时从公共内存中直接读取移动表位置相关的运动数据，实现对移动机器人每个运动关节的实时运动动作和身体运动状态的监控主从计算机常常通过网络在整个系统中相互通信，使用通用的网络内存直接完成网络数据交换。他们不仅互相合作，而且互相为对方工作，互相密切合作，并帮助保持相对的独立。它们之间直接采用的网络是一种网络结合和网络管理的设计形式。地面公共汽车。其具体网络结构如系统软件设计框架图3-3所示。优势:微动控制器具有更快的计算速度、更短的响应延时、更好的实时性能、更低的成本和更强大的可扩展性等优点。它广泛用于各种大规模的运动测量和控制应用，并对精度和速度的控制有特定的技术要求。缺点:它们并非很好地适用于高精尖和复杂运动场合。以往市场上对于选择工业机器人运动控制管理系统的方案，大多参考“上位机:工业PC+子机+运动控制”的系统架构。本文为我们设计的用于系统操作和控制系统装置的控制技术软件，是一套综合控制系统解决方案，它结合了通用嵌入式PC和其他通用运动控制系统技术软件，以及系统的内核处理器架构。它有两个晶片组，一个8x86架构的ppcpu，是基于pcintel和其他标准的。系统运营,motion控制系统费用管理,系统错误检测与诊断,语言脚本编辑,路径规划及其他功能担任,motion控制系统装置的核心部分是高级cpu、高性能pdsp及机器人对各转轴进行实时、调整及实时自动控制的fpga芯片负责。“电脑+上级下级电脑+产业用pc+下线:动作电脑控制卡"为主要核心硬件结构的其他类型的传统工业嵌入式特殊motion和控制以及处理系统比较,嵌入式特殊动作控制以及处理系统具有更高的保安。可靠性更强，对电磁干扰的抗干扰能力更强。该系统还可以为更复杂、更准确、更快的运动控制以及平板电脑和移动电脑提供广泛的应用界面。运动扩展控制(如PS2、USB、VGA等通用通用标准和通用特殊接口)的广泛使用，使整个运动控制和处理系统具有良好的运动开放性。直接结合I/O运动扩展控制模块，可以同时进行多I/O运动扩展，以满足多数据输入和大数据运动控制的应用要求。4搬运机器人控制系统软件设计4.1系统软件总体构架设计处理机器人系统的功能需求分析图解如图4.1所示。根据该图，机器人应该能够接收顶部计算机的启动和停止指令，将放置架上的货物运送到工作区，然后在需要计算机指令的时候返回到起跑区。请确保车床放置稳定。在路上，机器人需要将机器人的状态和工作信息反馈给上级计算机。为满足上述要求，操作机器人应具备数据采集功能、无线通信功能、操作块等功能。模块化系统软件在上述内容的基础上采用了模块化程序结构，而整个嵌入式软件系统的主要功能是(main)。初始化模块(initsys)。中断模块(interruptMotioncontrol模块)。无线通讯模块(communication)六个模块。在主循环中，每个模块子例程都被打包并等待调用。初始化模块主要是对MCU的硬件系统，也就是MCU的初始化，以保证MCU各模块的正常工作。运动控制模块主要用于控制机器人沿路径移动和搬运重物。它包括驱动电机的速度控制和方向控制，以及转主的速度控制和位置控制。无线通讯模块是MCU和PC通过WiFiLAN进行通讯的桥梁。机器人接收信息并通过PC进行反馈，以实现机器人与PC之间的信息交换。4.2数据采集模块设计4.2.1数据采集模块数据采集模块主要是对传感器的输出信息进行采集和处理。数据的一部分必须以中断传送，另一部分必须读为I/O。以下将描述对每个数据模块的收集和处理，以完成收集模块软件的实现。速度采集可以通过选择的编码器来实现。本白皮书中选择的编码器是500行。马达旋转一个圆，输出500脉冲。同时增加减速器，减速比为1:30，即马达旋转一个圈，驱动轮旋转1/30元。变量会在中断服务子程序中被计算出来。设置了变量Leftcount.Lightcount分别表示左右电机编码器输出的脉冲数。编码器的距离D是通过单位时间的测量得来的。根据式(4.1)可以得到机器人的速度信息v=count×d/t(4.1)4.2.2二维码信息采集程序设计每个二维码码中都包含一个位置信息，机器人底部装有特殊模块扫描二维码以获取地标信息，通过串口传送到MCU中获取位置信息。4.2.3灰度循迹模块数据采集与处理程序设计位置信息采集。操作机器人装有一个8位灰度传感器，每个2位传感器之间的间距是1.6厘米。总导线宽度为10.5厘米，检测到白色或亮线将打印出低电平。4.3模块划分与系统硬件早期的机器人控制系统设计和开发通常需要使用专业的机器人处理器、操作系统和软件编程。随着现代信息科学与技术的不断发展，以及自动化水平的不断改进，人们对机器人监控系统的可操作性、实时性、开放性等方面提出了新的要求。本论文采用自主研发的智能网络控制与管理系统来处理工业机器人。其结构设计是基于标准化和模块化的系统。根据主要功能的不同，控制系统分为六个不同的网络模块，这些模块在标准数字总线网络架构中相互连接。使用以太网作为网络点进行数据通信的方法。具体结构如图3-4所示。人机交互控制模块向每个操作员发送实时操作指令。伺服控制模块直接从运动控制和管理模块接收实时的运动控制和管理命令，以控制机器人的正常工作。同时,motion实时监测控制模块控制整个机器人的实时motion进程持续扫描监控,实时监控数据信息及时传送到人类-互动电脑控制模块,motion状态反馈控制传送到管理模块。根据实时监控模块反馈的运动处理和监控相关信息，运动控制管理模块对控制机器人整个运动控制过程和操作方法数据进行实时、持续的修改。各个控制模块之间的实时通信在通信模块中完成。图4-1搬运机器人模块化控制系统4.3.1运动控制模块作为对各种移动机器人的整个运动控制与管理系统的技术基础和控制核心，运动控制与管理模块的主要控制功能就是通过获取不同模块的运动控制与管理系统的控制信息。通过精确地移动受控接收器来完成运输任务。图4-2原有控制系统方案选用“pcitrio运动控制卡+PLC”作为整个机器人的运动控制部分。PLC与工业电脑装配并安装在自动控制柜上。包括PLCi的主要功能及控制功能。其一，系统采用PLC主机作为I/O模块控制主机输入和自动输出端口。第二点是对输流线的操作过程的自动控制，如输流线和积板的自动控制。PCIe中需要通过卡槽与特殊的工业控制机器人连接的是pcitrio电机运动控制卡，用于控制工业控制伺服机的电机运动。机器人可以执行一些相应的控制动作程序来实现远程控制。同时，用户需要使用各种专业的触屏(HML公司最初的触控操作系统有pr0face双触控显示装置，用以通过各种特殊的工业计算机进行串口和互连)来获得触摸数据。输入、显示及其它功能;也可通过特殊的工业控制机器人vgae接口或外部工业控制显示屏直接操作。采用这种控制方案的优点是：上、下位运动计算机的操作分工明确，能够对上位计算机操作进行比较复杂的系统自动化编程控制;同时利用如PPCITRIO等的运动控制卡合起来能够实现四轴方向移动的精确控制，比较安全可靠的。<BR>它的优点:而且软件成本相对比较高;而且每每当用户针对一个流水线程序进行流程控制发生变化时，PLC应用程序的软件修改不方便，且该应用程序的软件通用性、可移植性相对也比较差;PLC程序资源没有能够得到合理充分地整合使用。图4-3改进后控制方案4.3.2控制系统改善解决方案针对原有解决方案的优缺点，同时又结合对于控制系统在各个部分的功能、技术等各个环节提出的新设计要求，最终形成了一套如图3-6所示的控制系统改善解决方案。与原先的整体控制管理系统结构设计方案结构相比，现有的整体控制系统结构设计变得更为复杂精简，其中较为显著的主要设计区别就是只有两个。第一点在现在的运动控制器和系统集成解决方案软件中的新型运动控制系统模块中，选择的模块是经由深圳固高科技有限公司进行自主设计研发的多轴定向一体化新型运动系统控制器，抗干扰能力更强、可以用来实现更复杂、更精确的整体运动控制;第二点就是经过不断改进的运动控制器和设备系统集成解决方案，它们基本无需需要使用一个专业的普通触摸触控显示屏(HMI)，控制器内部的系巳全部都可以集成，只要无需需要外接一个常规的普通触摸显示屏或设备操作即可。4.4运动控制模块软件设计对于手握式机器人来说，其运动控制主要包括两个方面。其中一个是控制机器人的速度和方向，也就是控制机器人的驱动滚轮。同时，升降机构的控制，即电动汽缸的控制，可以实现车床的升降。4.4.1电机转速闭环控制算法设计电机传统的闭环控制算法一般采用PID控制。在整个控制过程中就不能进行更改。PID控制技术成熟、结构简单，但由于负载变化、外部干扰等原因，容易改变控制系统的参数，难以满足实际控制系统的要求。因此采用模糊PI控制算法来控制机器人电机的速度。4.4.2电机速度控制模块设计设定机器人获得和控制速度的周期为15ms。由于机器人收集到的信号是离散的，因此在程序中对电机的控制需要采用模糊PI控制。4.4.3电机方向控制算法设计机器人运动系统模型分析。操纵机器人的驾驶模式由两个驱动轮驱动，所以转向模式可以是差动转向。首先是一个运动模型，理论上，机器人的运动模型告诉你当机器人沿着直线运动时，速度没有偏差。左轮和右轮之间速度差一定，机器人的路径就会变成圆形运动。VL=VR，机器人就在原地旋转因此，当机器人存在位置偏差时，我们可以通过调整机器人两轮之间的速度差△V来控制机器人位置的偏转角度。4.5无线通信模块软件设计处理机器人的无线通信模块由上位计算机终端、无线路由器、串行无线传感器和机器人控制系统组成，通信传输采用透明传输模式。在通信过程中，双方必须遵循一定的协议进行通信，以保证正常的通信。通信协议由多个字节组成，并采用固定长度框架结构。格式为“帧头+数据位+校验位+帧尾”。(1)机器人接收指令在嵌入式系统中，无线通信模块的功能是接收上位机向机器人发送控制指令，然后将机器人的各种信息传送给上位机，再通过dartAo模块将数据传送到串口，再传送数据。通过串口转换器到上层计算机。转换器的传输速率被设为115200，定义的数据格式见表4.1和4.2。表4.1后动／停止控制指令数据格式帧头数据1数据2校验位帧尾Ｏｘｆｃ机器人编号启动／停止ＣＲＣＯｘｒｆ表4.2目标位置控制指令数据格式帧头数据1数据2校验位帧尾Ｏｘｄｆ化材机器人编号目的地ＣＲＣＯｘｄｆ(2)机器人发送指令处理机器人所发送状态信息的数据帧格式，0x02表示电动推杆正在动，而6表示机器人的状态。0x10为正常工作状态，0X11为异常工作状态，0x00为正常充电状态。如果机器人不正常，需要检查机器人。将数据帧发送到PC上机。表4.3接收信息数据格式帧头数据1数据2数据3数据4数据5数据6校验位帧尾Ｏｘｆｅ机器人编号位置速度电量举升状态机器人状态ＣRＣ5搬运机器人控制系统调试5.1控制系统硬件调试首先调试机器人控制系统的硬件，以实现该机器人各模块的正常工作。调试部分主要包括:主控制模块调试，运动控制模块调试，导航与位置模块调试，安全规避模块调试和无线通信模块调试。5.1.1主控模块测试电源模块与后续电路和传感器是否能正常工作直接相关，应先检查。控制系统的硬件电路包括24V、5V和3.3v的电压，并分别检测电压。第一，焊接24V电源接口、开关、24V绝缘电压调节器模块、tps7333等元件;然后用多点仪表测试控制板是否有短路。确认后按开关打开电源，并根据电源指示灯的指示灯来确定电源供应装置的状态。在电源指示灯正确亮起时，请检查电源模块在默认情况下是否提供电源。然后使用电压表测量每个模块引脚的输出电压。实际测量的电压如表5.1所示，并说明电源电压是允许的。表5.1控制板电源模块电压测量值名称实测电压(V)输入电压24.22V转5V模块输出5.084V转3.3V模块输出3.311V5.1.2运动控制模块调试运动控制模块的调试要确定控制晶片输出的PWM波形是否正常，电机是否正常工作，编码器是否正常返回信号。编制计时器以观察输出PWM波形，以确定输出信号波形是否正确，以及马达速度是否随负载周期的变化而改变。输出波形的正确性可以通过示波器的波形波形来确定。5.2控制系统软件调试控制系统软件调试，主要通过ＩＡRＥｍｂｅｄｄｅ