堆垛机器人控制系统的研究

第19卷第6期1998年11月　江　苏　理　工　大　学　学　报Journal of Jiangsu University of Science and TechnologyVol119No16Nov.1998堆垛机器人控制系统的研究杨　年　法摘　要　介绍一种用于烟草行业中的物料系统堆垛机器人,采用工业控制机作为主计算机实现系统的监控和作业管理,单片机作为位置伺服控制,完成PI D控制算法,由主计算机协调各关节的运动,准确地跟踪轨迹规划,使速度达到完全可控.关键词　机器人　监控系统　算法　数学模型中图分类号　TP24堆垛工业机器人,是应用于烟草行业中的物料流系统堆垛用的机器人,它由以下三个主要部分组成:控制系统;测量和伺服系统;机械系统.控制系统包括工业控制计算机及存贮器,用以控制机器人和外围设备连锁用的输入输出接口装置、控制联网通讯以及控制机器人的伺服系统.测量和伺服系统包括运动控制器、伺服放大驱动器和装有位置、速度反馈的交流伺服电动机.位置调节和速度控制是由一个光电编码器系统来实现的,这个系统由一个带有辅助电源的编码器电路等组成.机器人的机械系统包括堆垛机器人和伺服电动机的旋转运动转换成所需运动的传动机构,它可做以下运动:旋转(整个堆垛机器人绕着基座旋转)、前后运动和上下运动(臂部综合运动)、手腕回转运动.其结构如图1所示.图1　堆垛机器人结构图收稿日期:1998205229杨年法 江苏理工大学电气系　镇江市　212013 控制系统的基础是一台工业控制计算机,它将控制程序存放在存贮器中.这个程序是固定的,它指挥计算机去执行各种堆垛机器人的指令和控制功能,操作人员和控制系统之间的信息传递通过控制屏、编程器和功能键来实现.工业控制计算机有规则地对控制的情况进行检测和扫描,并通过LE D 的亮、灭和音响读出回答信号.工业控制计算机监督和控制工作过程以及控制系统之间的输入输出信号,例如所需的移动是在某一轴上,就发出指令给轴装置.使用者应用编程器,通过一个特殊的运动模式给机器人编程.操作者应用功能键指挥堆垛机器人的每一个运动.其位置和速度信号存放在工业控制计算机的存贮器中,堆垛机器人常用的工作信息也可编成程序,贮存在存贮器中.1　堆垛机器人运动控制 堆垛机器人用四个自由度来确定机器人在空间的位置.四个主要坐标是整个机器人绕着基座旋转运动(φ)和两个在垂、水平面内的手臂运动坐标,一个下臂(θ)和一个上臂(α),还有一个手腕回转运动(υ).所有这四个主要运动全部采用交流伺服电动机控制位置和速度,均能满足克服大惯性力矩和快速性以及精确定位的要求.旋转本体的驱动装置牢固地安装在基座上,它通过一个减速齿轮机构绕着基座转动本体.除了旋转(φ)本体的驱动装置外,上臂和下臂的坐标系的驱动装置都安装在堆垛机器人的旋转本体上.臂部运动靠球形螺杆,通过连杆和杠杆使臂部动作.臂部的前后(θ)运动使腕部也作前后方向移动,臂部的上下(α)运动同样使腕部带动抓具也作上下方向移动.堆垛机器人的腕部由固定在手臂(上臂)的端部一台交流伺服电动机驱动,可以改变它的速度和力矩.抓具采用夹爪方式,夹爪也采用伺服电机驱动.其控制系统方框图如图2所示1图2　堆垛机器人控制方框图堆垛机器人为全电气控制,工作稳定、可靠.堆垛机器人各关节在运动过程中抓具始终保68 江　苏　理　工　大　学　学　报 1998年11月持在垂直向下的状态.为了保证各关节的运动轨迹,旋转本体运动和腕部运动的轨迹为PTP (point to point ),臂部的前后与上下运动的轨迹为CP (continuous path ).[1]2　动力学特性分析及控制策略的确定 设堆垛机器人关节角位移θ为机器人动力学系统的广义坐标,操作机的每个杆件是刚性的.对4自由度的操作机应用拉格朗日方程可以得到一组描述其动力学特性的二阶非线性微分方程:[2]64j =1D ij ¨θj +64j =164k =1C ijk θj θk +G i +T i =Q ii =1,2,3,4方程式左边第一项表示操作机的惯性耦合矩阵;第二项是离心力和哥氏力矢量;第三项是重力;第四项是外界力,右边的Q i 是各个关节驱动的输出力.其中D ij 是惯性参数,与杆件质量、长度和关节角有关:C ijk =5D ij 5θk -125D ik 5θiT i =-J T・FJ T 为3×3操作机雅可比矩阵的转置,F 是外界矢量.上述方程所表达的多变量非线性耦合的动力学系统,可以有条件地解耦为几个独立的单输入单输出关节位置伺服控制系统.[3]据此,采用将机器人各关节作为一个位置伺服系统进行控制的策略.为了分散微处理器的负担,采用主从二级计算机的方案,选用高性能的伺服驱动装置,由主控计算机协调各关节的运动,以跟踪轨迹规划所给定的空间轨迹.3　堆垛机器人分级控制结构 将计算机应用于工业机器人控制器后,计算机就成为控制器的核心.由计算机实现控制算法,接收并处理多种信号,形成并发出所需的控制指令.考虑经济采用微型计算机作为机器人的控制装置,它需要完成各种运算,如轨迹控制的插补计算、坐标变换和伺服系统中补偿量的计算等.这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时运算,通常需在5～15ms 之内完成,要在一台微型计算机上实现是困难的.笔者除了在算法上、软件编制上注意采取减少运算时间的措施外,在控制方式上,将计算分散于多台微型计算机进行.因此在结构上采用了分层结构的两级微型计算机控制系统,如图3所示.第一级:主控计算机,主要用于接受作业指令,协调关节运动,控制运动轨迹.它负责系统的监控和作业管理(联网通讯及管理).根据操作者的命令和根据动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补计算及坐标变换.在计算出各轴电机的位置设定值序列后,向下级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值,实现对各关节运动的协调和控制作用.78第6期 杨年法 堆垛机器人控制系统的研究图3　堆垛机器人分级控制结构第二级:各关节均有自己独立的伺服控制计算机及交流伺服驱动装置.根据主控计算机送来的各关节位置速度等运动指令信号,实时控制操作机多关节运行.两级计算机通过并行口进行通讯.伺服机用中断方式向主控计算机报告各关节当前位置,主控计算机用查询方式判明各关节是否完成要求的位置伺服值,然后再向伺服机送出各关节的新的位置设定数据及其它数据.系统的工作过程是:操纵人员利用控制键盘或示教盒输入作业要求,如要求机器人抓手在两点之间沿直线移动.主控计算机接到指令后完成以下工作:分折解释指令,确定两点间的直线运动参数,进行插值计算,完成坐标变换,最后得出相应的各关节的运动轨迹.由伺服控制计算机及交流伺服驱动装置控制各关节运行.4　位置伺服控制系统 位置伺服控制系统包括以伺服控制系统计算机为核心的数字位置控制及交流伺服驱动装置.数字位置控制:采用8096单片机(含64K EPROM ,16K RAM ),输入接口1接受各关节光电编码器位置反馈A 、B 相脉冲信号,对其进行滤波、整形、鉴相及故障诊断.定时/计数器1作为计数器将位置反馈信号输入.接口2对关节感应开关信号实现光电隔离、滤波、整形,并对光电编码器输入的C 相脉冲滤波、整形,经定时计数器输入计算机.这些信号在堆垛机器人回零时用于回零控制;在伺服工作状态时,设置各关节的左右限位感应开关信息作越限报警用,8通道D/A 卡将数字位置PI D 调节器(也可采用伪微分算法)输出的数字量变换为模拟量输出,作为各关节交流伺服驱动装置的速度设定.交流伺服驱动装置:交流伺服驱动装置由模拟量的速度调节器,带有脉宽调制(PW M )控制的电流调节器构成反馈控制的内环,数字位置调节器为外环,通过三相桥式大功率晶体管逆变电路,向小惯量永磁转子的三相交流伺服电动机供电,构成一个高性能的位置伺服系统.控制方法:堆垛机器人每次作业前先要整体回零,以校准各关节的零位,作为轨迹规划及控制的基准.针对堆垛机器人的回零特点及通讯方式,伺服控制又分零位、位置和终点伺服三88 江　苏　理　工　大　学　学　报 1998年11月种.零位伺服:堆垛机器人的回零动作是串行的.当某关节回零完毕而其它关节尚未回零、或都已回零完毕而等待主控计算机传送位置设定值时,则运行零位伺服程序;位置伺服:位置伺服计算机接收主控计算机传来的位置设定值后,则运行位置伺服程序.对每一点位置的设定值,伺服三个采样周期,每个伺服有4个点向主控计算机报告一次当前位置.当一次传送的所有设定值都伺服完时,向主控计算机报告并转去执行终点伺服程序.终点伺服是当位置伺服完成最后一点的伺服计算后,将这一点的设定值保存起来,并以这个值进行随后的伺服动作.5　堆垛机器人的轨迹控制 堆垛机器人属高度非线性的多变量与时变的多输入多输出系统,如果关节的精确模型,按照严格的约束条件和初始条件,以判据来综合最优控制以跟踪预定轨迹,没有办法得到可以接受的解(解进行实时控制的闭式解).采取的措施是简化或不引入判据,根据堆垛机器人结构及任务特点采取相应满足生产要求的控制规律.图4　堆垛机器人局部解耦的PI D 控制框图　当堆垛机器人有大的减速比,并工作在PTP点位控制时,堆垛机器人各关节可以用局部解耦的PID 控制.[4]其控制框图如图4所示.其中F 为粘滞阻尼系数,T 为杆件惯性力矩,K m 为增益,K v为速度反馈系数,K e 为计算机的比例放大系数,J为电机转动惯量,在采样频率足够高时可按连续控制计算,[5]位置环闭环传递函数为θ(s )θd (s )=K e K mJs 2+(F +K v K m )s +K e K m 可表示为θ(s )θd (s )=ω2s 2+2ξωs +ω2,其中无阻尼自然振荡频率ω=K e K m /J ,阻尼系数ξ=(F +K v K m )/(2J K e K m )为防止发生共振,K e 上限受机械结构谐振频率ωs 约束,应使ω<0.5ωs为防止超调,应使K v ≥(K v o K m +F )J J o -F 的措　,1K m 为提高系统的伺服刚度,应使K e K m 加大.为克服库伦摩擦,可加前馈补偿力矩:T ff (s )=　T dyn /s θ>0-T dyn /s θ<0下级　　相同　(静摩擦)T dyn 是阶跃阻力矩,T sta 是脉冲阻力矩.为克服重力矩,应加重力矩前馈补偿,补偿分两项,一项克服F 影响,另一项克服阻尼项K v 影响.若需减小速度跟踪误差,则可采用加速度前馈补偿,这种补偿对于轨迹跟踪是必要的.对98第6期 杨年法 堆垛机器人控制系统的研究09 江　苏　理　工　大　学　学　报 1998年11月多杆机械手,还需考虑惯性耦合、离心力与哥氏力.6　结束语 堆垛机器人采用工业控制计算机为主控计算机,数字伺服系统采用8096单片机,实现PI D 控制算法,接收、处理多种信号,形成所需的控制指令,达到由主控计算机协调各关节的运动,准确地跟踪轨迹规划所给定的空间轨迹.使速度完全可控,未出现死区,其控制定位精度为±0.1mm.本控制系统运行稳定、可靠,其控制算法正确、可行,达到预期的目的.参　考　文　献1　李金伴等.专家系统在机械手故障诊断中的应用.机器人,1992,14(5):31～362　熊有伦.机器人技术基础.武汉:华中理工大学出版社,19963　诸　静.机器人与控制技术.杭州:浙江大学出版社,19914　赵德安,李金伴.热处理机器人数字控制器的设计.电气传动,1995,25(4):37～435　Ding Han.C omputer2aided O ff2line Planning of Robot M otion.Robotics and Autonomous System,1991,7(1):67～72Research on the C ontrol System of Stacking RobotsY ang NianfaAbstract　This paper introduces a robot for stacking materials in tobacco industry, which uses a control computer as its main computer to exercise supervision over the systemand the management of its operation.Being a servo2positioning controller,the single2chipcomputer in this system carries out PID control computation and the main computercoordinates the m ovements of all robot joints,which enable the system to follow the traceprogram precisely and to control the robot speed completely.K ey words　robot;supervision system;algorithm;mathematical model。