面向通信的機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王熙杰

摘要：針對(duì)人工清潔車輛效率低的問題，將洗車機(jī)器人引入機(jī)車清潔過程中，其中運(yùn)動(dòng)控制功能由工業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和Profinet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信功能，控制電機(jī)位置參數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度，準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)械臂末端位置。開展機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，其中自動(dòng)化洗車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選用的控制器芯片型號(hào)為STM32F407ZET6，并采用CH340G 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)提高自動(dòng)化機(jī)車清洗效率具有一定的支持作用。

關(guān)鍵詞：洗車機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

經(jīng)長(zhǎng)期使用，機(jī)車車頭、內(nèi)飾及車身表面必然會(huì)累積各種污染物，包括油污、灰塵等，所以定期清潔機(jī)車十分有必要[1-2]。從現(xiàn)有機(jī)車清潔方式來看，普遍應(yīng)用人工清潔車輛的方式實(shí)現(xiàn)清潔目的。該方法具有較大的管理難度，實(shí)際工作效率也較低；從技術(shù)能力方面考慮，不同洗車人員之間存在的差異較大，針對(duì)同種車輛難以保證一致的清潔效果，特別是清潔難度較大的車頂區(qū)域[3-4]。針對(duì)上述問題，相關(guān)學(xué)者研究制定了高效的機(jī)車清潔方案，以多軸工業(yè)機(jī)械臂作為技術(shù)支撐，在機(jī)械臂尾部安裝清潔設(shè)備和攝像頭。其中，數(shù)據(jù)采集功能由攝像頭完成，清潔功能則需控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)構(gòu)建的機(jī)車三維模型的清潔模式進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各種車型清潔效果都表現(xiàn)良好，水量消耗變少，洗車場(chǎng)人力成本顯著降低，清洗效率也得到提升[5-6]。

針對(duì)人工清潔車輛效率低的問題，本文將洗車機(jī)器人引入機(jī)車清潔過程中，運(yùn)動(dòng)控制功能由工業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。

1 自動(dòng)化洗車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將洗車機(jī)器人的機(jī)械臂用于機(jī)車車頭外表面清洗。該機(jī)器人主要由視覺信號(hào)處理系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，機(jī)器人作業(yè)整體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1 所示。安裝在多軸機(jī)械臂末端的傳感器對(duì)機(jī)頭輪廓完成掃描后，在上位機(jī)完成車頭點(diǎn)云的拼接，將處理后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)械臂控制器，再將坐標(biāo)數(shù)據(jù)解析成機(jī)械臂各軸旋轉(zhuǎn)角并生成相應(yīng)報(bào)文，通過Profinet 通信協(xié)議把該報(bào)文發(fā)送至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成相應(yīng)清洗動(dòng)作。

2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選取的研究對(duì)象為KUKA 工業(yè)機(jī)器人，型號(hào)為VKRC2 2005 版， 其機(jī)械臂供電方式為400 V 三相交流電，總重量達(dá)190 kg，控制精度可達(dá)0.5 mm。將3 個(gè)旋轉(zhuǎn)控制關(guān)節(jié)設(shè)置在此機(jī)械臂中，該機(jī)器人照片和結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)共分為兩個(gè)部分：一是由下位機(jī)處理程序與上位機(jī)界面程序構(gòu)成的軟件程序；二是內(nèi)嵌最小運(yùn)行系統(tǒng)、總線通信模塊及嵌入型微控制器的硬件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)控制功能由工業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和Profinet 協(xié)議可實(shí)現(xiàn)此模塊的通信功能，控制電機(jī)位置參數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度需使用111 報(bào)文完成，從而準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)械臂末端位置，同時(shí)各報(bào)文數(shù)據(jù)均可實(shí)時(shí)接收，并在上位機(jī)中顯示各軸旋轉(zhuǎn)角及相關(guān)數(shù)據(jù)。定位功能、機(jī)頭輪廓測(cè)試及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制等功能都包含在上位機(jī)中，其可以完成對(duì)機(jī)頭輪廓清洗路徑的設(shè)定、關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息的傳輸、機(jī)車位置數(shù)據(jù)的處理和機(jī)頭輪廓的測(cè)試以及機(jī)械臂運(yùn)行狀態(tài)的高效監(jiān)控[7]。

單目攝像頭內(nèi)嵌于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的機(jī)械臂尾部[8]，因而在掃描機(jī)頭輪廓時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高效掃描。自動(dòng)化洗車工作流程如圖3 所示，首先規(guī)劃洗車具體路徑，并向下位機(jī)傳輸路徑對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；其次參考坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)各軸旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算；最后將解析獲得的111 報(bào)文發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。

3 硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況可通過驅(qū)動(dòng)器的反饋信息進(jìn)行判斷。利用Profinet 協(xié)議構(gòu)建通信模塊與驅(qū)動(dòng)器之間的聯(lián)系，單個(gè)電機(jī)的運(yùn)行控制由對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

為確保機(jī)器人作業(yè)正常，對(duì)于控制器芯片的要求較高，需滿足運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)行性能佳、運(yùn)算速率高效等條件[9]。本次選用的自動(dòng)化洗車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器芯片型號(hào)為STM32F407ZET6，整體性能比之前的芯片產(chǎn)品更優(yōu)，還可有效控制制造成本，完全滿足機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用需求。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 電源及串口通信電路

如圖5 所示， 二路電源輸入在控制器芯片中，K1 開關(guān)與保險(xiǎn)管F1 連接VUSB， 將U4-AMS1117-3.3芯片輸入，并輸出直流3.3 V 電壓，同時(shí)對(duì)STM32F407ZET6 控制器芯片供電。將VOUT與VUSB 連接， 直流電壓輸出值為5 V，3.3 V電壓在供電狀態(tài)下即可獲取，供電設(shè)備可選取相應(yīng)適配器，通過USB 可實(shí)現(xiàn)在低功耗狀態(tài)完成供電。

通常情況下少量數(shù)據(jù)就能使下位機(jī)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)控、電機(jī)運(yùn)行開關(guān)控制等通信控制，所以在實(shí)際通信時(shí)將RS232 接口作為首選。但目前筆記本電腦中幾乎不再配置RS232 接口，串口信號(hào)到USB 信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變可采用CH340G 芯片實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)與下位機(jī)間僅需一根USB 線就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。

4.2 上位機(jī)與下位機(jī)通信

實(shí)際作業(yè)中機(jī)器人數(shù)據(jù)通信時(shí)，首先，其上位機(jī)機(jī)械臂末端位置設(shè)定之前需執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制命令，下位機(jī)接收上述數(shù)據(jù)后解析具體命令；其次，各機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角采取機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程完成計(jì)算，旋轉(zhuǎn)角取值范圍如表1 所示；再次，向驅(qū)動(dòng)器傳輸上述數(shù)據(jù)；最后，將驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，向上位機(jī)傳輸機(jī)械臂各軸關(guān)節(jié)角相關(guān)數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送操控命令，為保證高效傳輸和交換控制命令、數(shù)據(jù)等各項(xiàng)參數(shù)，構(gòu)建的通信協(xié)議需得到微控制器和計(jì)算機(jī)的支持。微控制器和計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)要求數(shù)據(jù)格式必須為二進(jìn)制，以此為標(biāo)準(zhǔn)采用下位機(jī)控制對(duì)計(jì)算機(jī)輸出二進(jìn)制信息進(jìn)行準(zhǔn)確解析，機(jī)械臂各項(xiàng)參數(shù)及實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過機(jī)械臂控制功能來獲取，計(jì)算機(jī)上位機(jī)程序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)果需嚴(yán)格依據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？刂茙鳛橐环N命令參數(shù)與坐標(biāo)由計(jì)算機(jī)程序生成，并需向下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制參數(shù)和多個(gè)控制指令均包含在通信協(xié)議中，機(jī)械臂自動(dòng)化洗車效率容易因協(xié)議質(zhì)量水平的變化而受影響。

5 結(jié)論

針對(duì)機(jī)車清潔出現(xiàn)的相關(guān)問題，本文開展機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，得出以下3 點(diǎn)結(jié)論。

（1）自動(dòng)洗車運(yùn)動(dòng)控制功能由機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和Profinet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信功能，控制電機(jī)位置參數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度，準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)械臂末端位置。

（2）選用的自動(dòng)化洗車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器芯片型號(hào)為STM32F407ZET6，整體性能比之前的芯片產(chǎn)品更優(yōu)，可有效控制制造成本。

（3）采用CH340G 芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變，上位機(jī)與下位機(jī)間僅需一根USB 線就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。可將驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并向上位機(jī)傳輸機(jī)械臂各軸關(guān)節(jié)角相關(guān)數(shù)據(jù)。

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