搬运机器人控制系统设计研究

聂万芬 陈广华

摘 要：现如今搬运机器人已成为一种使用范围广泛，并且发展速度也较快的机器人。这种机器人经过模块化的软件与硬件技术的设计，将传感器技术、编程运算技术、通信技术以及PLC和PC机等高端技术融于一体，使其控制系统具备了较高的智能化技术，能够令机器人灵活、有效地进行繁重的搬运作业。本文对搬运机器人控制系统的设计进行了探究。

关键词：搬运机器人；智能控制系统；PLC；控制系统设计

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）08-0189-02

Abstract：Nowadays，the transport robot has become a kind of robot which is widely used and develops at a faster speed. Through the design of modularized software and hardware technology，this kind of robot integrates sensor technology，programming operation technology，communication technology and PLC and PC machine and so on，so that the control system has a high intelligence technology，which can make the robot flexible and effective carry on heavy handling operation. This article is to explore the design of control system for handling robot.

Keywords：handling robot；intelligent control system；PLC；control system design

0 引 言

搬运机器人的控制系统具有开放式的构造，这种机器人的构造是在标准、模块化的基础之上，对操作机进行控制，并且完成特定的工作任务，依据功能不同划分到各个部分。其控制系统软件是在WinCE研发，其设计研发是以模块，标准化为基础，同时包括通用型，设计友好界面通过指定的作业来完成，从而能够实现状态监控、网络通信、任务规划、运动控制、示教编程等多种性能，它也能同时适用于CAN总线、以太网等多种最常见的通信方式，也能够和3D图形化仿真编程工具结合在一起，如此就能进一步实现机器人控制系统的目标编程。以下，我们就用一些实例，来具体描述搬运机器人控制系统的智能设计。

1 基于颜色识别的智能搬运机器人的控制系统设计

该搬运机器人主要用STM32单片机作为最主要的控制，从而完成对执行机构的控制和信息的处理。直流电机和超声波传感器主要为运载体提供动力，避障。颜色传感器、机械手则是相应地实现对锁定物体的识取和获得、释放。无线通信则对一整个实时监控进行自动控制。在进行系统程序时，大部分是对搬运机器人搬运过程进行编写程序。它主要是为了收集并引领路径数据，获取相应的信息，确定搬运的方向位置，然后寻找搬运目标位置，识取搬运目标，机械手取得搬运目标，到达目标堆放区，释放搬运目标，返回初始位置，任务完成。系统控制软件如图1所示。

2 汽车搬运机器人控制系统设计分析

汽车搬运机器人的控制系统存在于机器人本体内。搬运机器人内的可编程序控制器主要通过无线通讯方式和它的母体运输平台保持通讯联络，然后运输平台再通过主控计算机通讯、红外通讯，在接受上位机命令后上传运行状态。而主控计算机则是负责集中控制和运输平台与管理汽车搬运机器人的协调运动。研华公司采用SADAM4550无限转换器，它一端接PLC的RS-232接口，另一端为2.4G微波信号，和运输平台控制系统中的ADAM4550一起，构成了运输平台控制系统和汽车搬运机器人控制系统的无线数据传输线路。汽车搬运机器人控制程序的编制是利用了SIEMENS PLC编程软件STEP 7提供的软件平台，它把整个控制程序模块化。该机器人的控制程序主要有：伺服装置控制模板，模拟数据采集模块，液压装置控制模板，停车货位参数模板，显示模块，故障检测模块和通讯模块等。汽车搬运机器人在运行时，依据上位机的控制指令，走到要搬运的汽车底盤下，伸出夹持臂，将汽车的四个车轮抬起，运行到指定的位置后再放下。

3 以Trio运动控制器的搬运机器人控制系统设计

堆积放置的物体，是指工作人员在工作场所摆置的目标。首先搬运机器人在进行完初始化后，就通过X轴进行运动。如果在路径前方遇到了障碍，那么该搬运机器人就会停在原地发出信号。如果发现搬运的对象是在Z轴向下运动，一直在距离地面有10mm处开始减速，经过导通相应的电磁铁，机器手会抓住对象，接着搬运机器人回到Z轴向上的一定的位置，然后继续向前运动，当即将到达放置区处时，会用一样的动作堆放对象。当放置目标完成后，搬运机器人就开始向相反的方向运动，开始再一次的运动循环。最后任务完成后，搬运机器人会回到最开始的位置，停机。控制程序是通过运行在PC机上的Motion Perfect软件来进行研发的，以Trio多任务或者BASIC语法样式进行编写，然后执行在上位机上的Motion软件，将编制的程序下载到Euro205X型运动控制器内即可脱机运行。

4 基于单片机的搬运机器人控制系统设计分析

机器人控制系统的最主要部件是AVR单机，它的系统中有两个260电机，在机械手机构中还用了两个舵机驱动，使两个自由度运动得以执行，主要目的是抓取目标物并升降。此用AVR单片机控制搬运机器人主要是选用ATmega161单片机作为主控制器。低功耗，高性能，功能高度集中是它的主要优点，该系统的所有要求得以满足，不必进一步扩展，并且支持C语言编程。驱动电机延时程序，控制机械手抬起，张开，放下的程序是几个主要系统程序的子程序。只要机器人系统的主控开关控制系统被启动，那么就能使各部件开始运动。软件系统和硬件系统为基础的单片机控制的搬运机器人，使成本大幅度降低，而且也比较容易实现。搬运机器人经过多次实验与调试，就能够靠近物体并且进行抓取，最后返回原地，放下物体，使转移物体的任务完成，在工业生产中进行重复性的劳动所需的动作都可以靠这种机器人进行模拟，具有很高的工业价值。

5 基于MCS-51控制的军用自动仓储搬运机器人控制系统设计分析

自动仓储搬运机器人是一种智能的货物搬运设备，是未来自动化工厂重要的运输工具之一。该系统由智能小车、图像识别系统、机械抓手三个部分共同组成。智能小车是以MCS-51单片机控制为基础，根据红外线发射管来进行寻迹，然后采用直流减速电机驱动来实现军用自动仓储搬运机器人智能搬运的载体。图像识别采用的是红外探射点阵对图像执行探射并且识别，而机械抓手则是由执行模块实现。系统核心是通过单片机，图像识别与机械手为主体建立的闭环控制系统，从而实现了智能寻迹、物体搬运等相应功能。这个系统设计较为简单，很容易实现，在智能控制领域应用十分广泛。通过电机控制及单片机自动控制和其他高等技术，就能使机器人智能控制系统得以实现。主和从两个单片机一起组成主控系统。首先红外传感器对路面信息监测，并传给主单片机，然后判别采样信息并去处置，最后发出指令，就实现了寻迹。

6 五自由度搬运机器人控制系统设计分析

该搬运机器人結合冲压生产线的应用需求来设计机构，进一步建立了控制系统。控制器、驱动器以及电机和人机交互界面构成了这种系统，设备层、控制层、人机交互层分层设计，是控制结构采用的。几乎每个层次的功能都不尽相同，相互通信，一起完成控制任务。控制层由主控制器和两个四轴运动控制卡组成。接着主控制器为上位控制器，和两个运动控制卡通过串口来进行通信，控制运动控制卡动作，示教模式、自动控制模式，与手动控制模式是主控制器工作的环境。最后，运动控制卡发出控制信号，控制层接收到传感器发出的反馈。控制系统底层有设备层，有执行机构、检测单元等，在得到驱动器指令后，进行相应的动作，最后反馈给控制层。

7 结 论

根据以上对具体的基于颜色识别的智能搬运机器人的控制系统、汽车搬运机器人控制系统设计、基于单片机的搬运机器人控制系统等的描述可知，搬运机器人通过运用各种不同原理的方法来构建一定的控制系统，并且都相应地有各自的优点，尤其体现了人们的智能和适应性，具有高效和应用价值高、体积小巧、实用等特点，在机械、电子、交通、国防等领域有很大的使用空间。

参考文献：

[1] 郑永涛，叶仕通，张钊.基于颜色识别的智能搬运机器人的设计 [J].电子设计工程，2017，25（10）：78-80.

[2] 丁磊，李恩，谭民，等.五自由度搬运机器人系统设计与运动学分析 [J].华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（S1）：19-22.

[3] 唐立平，马俊峰.基于PLC的四自由度机械手控制系统设计 [J].液压气动与密封，2007（4）：44-46.

[4] 陈忠华.可编程控制器与工业自动化系统 [M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：聂万芬（1981.04-），女，河南人，讲师，本科。研究方向：机电一体化、自动化控制技术。