物流机器人机械手臂自动化控制系统设计

李 炜，黄 倩

(1.武汉大学人民医院信息中心，湖北 武汉 430060；2.武昌职业学院，湖北 武汉 430202)

0 引言

随着我国经济水平的快速发展，各行业的发展也在不断壮大。在新冠疫情的影响下，人们对物流的需求量逐渐提升[1]。人工技术已经开始跟不上每日生产目标，所以在这种情况下物流企业开始使用机器人技术，将机器人机术与人工技术相结合，令机器人配合进行每日工作，给物流企业带来了极大的便利[2]。

在物流分拣、运输中，机器人机械手臂中的控制器对机械控制的要求极高。机械手臂灵活度越高，机器人劳动力越强，甚至还可以替代繁重的人工劳动。因此，为了保证机械手臂的精准性，需要对物流机器人的机械手臂展开自动化控制。

陈宇姗等[3]利用PLC技术对机械手的自动化运转状况进行控制，并在系统内设计了作业流程及控制模块，同时可以对调度流程中的子程序进行改进，通过设计触摸屏、实时监控等模块实现生产流程的整体控制，以此达到自动化控制的目的。李慧等[4]基于PLC和MCGS组态软件方法设计机械手末端控制系统。其在对控制系统进行设计前，首先把PLC控制器添加到系统内，以此为基础对机械手的动作功能进行有效设计，然后利用MCGS组态软件提升机械手的响应时间，解决了机械手延迟的问题。经实验对比发现，PLC控制器可以有效增强机械手执行精度，从而实现了控制系统的整体设计，但该方法的组态软件在解决时间延迟方面存有欠缺，存在控制系统设计效果差的问题。徐建明等[5]提出基于CoDeSys的机器人控制系统，其对机器人的转动轮进行了设计，从而提升机器人工作效率，并在控制系统内设计了一种反馈控制律，机器人依据转轮速度约束条件对机器人自身进行了规划，增强了系统稳定性，最后基于CoDeSys功能模块建立了机器人运动控制系统，实现控制系统整体设计方法。但该系统存在控制时间长的问题。

为了解决上述系统中存在的问题，本文提出了一种新的物流机器人机械手臂自动化控制系统。

1 系统软件设计

在设计物流机器人机械手臂自动化系统软件流程前，首先要将软件与物流机器人的机械结构、工作方式等功能特征相结合，从而设计出满足人类需求的控制程序，以此完成物流机械人机械手臂的自动化控制。

物流机器人在运动前会通过摄像头对周围数据进行采集，而计算机对采集数据进行接收，将接收数据与计算机控制界面相结合，对机器人发出控制命令，这时物流机器人对控制命令信息进行控制信号转换，实施需要进行的动作。

依据分析的物流机器人工作流程，获取物流机器人机械手臂接收控制命令的处理过程如图1所示。

图1中，控制系统软件程序的核心为上位机和下位机。这2个软件所产生的功能大不相同，上机位主要用来对工作人员发出的任务指令进行接收，并对接收的任务进行分配，而各个分配的任务就会依次输送到下位机，然后根据各个任务控制机械手臂的不同运动。

图1 机器人接收控制命令处理过程

1.1 上位机软件设计

对上位机软件进行设计时，选择Eclipse作为主要开发环境，Java为开发平台，具体为利用蓝牙对物流机器人进行连接、上位机中的按键对机器人进行控制。

通过输入控制命令使机器人进行前进、后退和旋转等动作，而上位机的按键为keyPressed、keyReleased。keyPressed为按下按键，而keyReleased为松开按键，按下keyPressed时，物流机器人会前进，松开keyReleased代表物流机器人停止运动。除了可以利用按键对物流机器人进行控制以外，还可以通过操作页面的蓝牙功能对物流机器人发出控制指令[6]。上位机软件的相关数据如表1所示。

表1 上位机软件相关数据

1.2 下位机软件设计

对下位机软件进行设计时，首先需要对蓝牙、单片机和串口等参数进行设置，即：蓝牙的串口波特率设置为9 545 Bd、单片机晶振设置为10.412 5 MHz、下位机软件虚拟串口设置为PCON=1×11和MOD=1×10。

各参数设定完成后，下位机软件接收到上位机软件分配的指令任务，这时下位机软件就需要对这些指令进行判断，判断完成后利用该软件对子程序的命令进行调用，从而实现与指令相对应的动作。具体流程如图2所示。

图2 下位机软件流程

下位机软件主程序在初始化I/O口对发出的前进命令进行接收，以此进入到子程序中，对前进命令进行调用时，整个过程需要50 ms延时，延时过后再对前进子程序进行调用，对其判断是否要继续前进。若判断结果为“Y”，那么就继续对前进的子程序进行调用，若判定结果为“N”，就停止调用。

2 系统硬件设计

以软件设计为基础，利用PLC模块、自动化功能模块及报警功能模块完成对系统硬件环境的设计。

2.1 PLC模块

物流机器人机械手臂自动化控制系统设计中，必不可少的一部分就是可编程控制器(PLC)。PLC凭借自身强大的功能得到了广泛应用，在控制领域中占据着重要地位[7]。

PLC具有可靠性高、灵活性强的特点，其由很多的控制器组件构成，如编程器和存储器等，而这些组件最终可以构成一个完整的PLC控制器，同时它的功能强大，能使物流机器人机械手臂进行自动化控制，PLC硬件的具体设计如图3所示。

图3 PLC控制硬件设计

从图3可以看出，PLC硬件主要由4部分组成，分别是电源、CPU、存储器和编程器。这些组件在PLC硬件中充当着不一样的角色，各组件都有着不一样的功能。其中：

a.电源。

为了避免一些外界因素影响，PLC的电源通常有3个，分别是外部、内部和备用电源[8]。这些电源是保障PLC能够正常运行的重要依据。普通的电源电路对PLC产生的影响较低，所以为了能够提升PLC的稳定性，需要在电源电路中添加1个电压调整器，它可以对PLC控制器进行一些抗干扰措施，可以有效预防电磁干扰问题的出现。

b.存储器。

存储器主要用来存储数据及系统程序，属于一种半导体器件[9]。在控制系统中，通常包含2种程序，分别是系统程序和用户程序，这2种程序之间有着较大的区别。一般来说，系统程序是PLC本身就存在的，而其余操作无法对该程序进行修改，所以系统程序中的数据只能放在只读存储器中，即ROM存储器。

与其相反的是用户程序完全是根据需要设定的控制要求编写而成的，PLC内的数据可以存在任意存储器中，其存储范围根据PLC的型号确定，即RAM存储器。

由于数据是时刻发生变化的，需要存储的数据内容也大不相同，所以通常情况下RAM存储器是最适合数据存储的。

c.CPU。

CPU属于中央处理单元，它是PLC的核心，在保证PLC控制器能够正常运行的同时还可以帮助它完成需要进行控制的任务。

首先CPU会存储程序中的数据，存储完成后会检查系统内是否存有故障，系统语言是否发生错误，若发现问题会及时进行反馈。将与控制指令相对应的数据信号输入到寄存器中，依据不同的控制需求对输入的数据进行计算，把计算结果中有关标志位的信息展示出来，并对其进行实时更新。

d.编程器。

编程器的具体功能为：对控制程序进行编写，对PLC数据信息进行监视。

首先要把PC看作主要编程器，PC内含有很多编程软件，将这些编程软件下载完成后直接输送到PLC控制器内。这种编程器不仅操作简单，还很便利，不会消耗过多的时间。

2.2 自动化功能模块

自动化功能模块可以对物流机器人进行3种操作，分别是单步操作、单周期操作和连续运行操作。依据物流机器人机械手臂的摆放位置，对其进行相对应的操作。

在物流机器人工作前，需要将机械手臂位置摆放好，若机械手臂位置没有回归原位，那么对物流机器人进行控制前，机械手臂会自动回归到初始位置，再进行其余运动。

a.单步操作。

对物流机器人进行单步操作时，只需按1次控制器按钮即可，这样机械手臂就会根据按钮的控制顺序进行运动。通常情况下单步操作用来对机械手臂的控制顺序进行调试，以此判定机械手臂的控制顺序是否发生错误。

b.单周期操作。

当工作人员对物流机器人实行单周期操作时，物流机器人的机械手臂就会进行1个周期性的动作，且该操作具有记忆性。若在单周期操作时出现停电现象，那么机械手臂就会自动停止工作，同时机械手臂动作也会保持在停电前一刻的运动状态[10]。当物流机器人通电后，机械手臂就会依据自身记忆功能继续进行未结束的工作。

c.连续运行操作。

物流机器人设置连续运行操作后，就要根据控制流程反复进行工作，若想要物流机器人停止运作，只需按下停止按键即可。

2.3 报警功能模块

物流机器人机械手臂运作期间若发生故障，系统就会自动发出报警警告，报警情况有2种。

a.作业完成。

物流机器人完成设定的工作后，机器人的报警指示灯就会发出红色亮光，用来提醒工作人员是否增加作业任务或是否结束工作。工作人员设定完成后，报警指示灯会自动灭掉。

b.机械手臂发生故障。

由于长时间的工作，物流机器人机械手臂会发生故障，这时物流机器人就会亮出蓝色的故障报警指示灯，同时还会有报警铃声，工作人员听到铃声后就可以及时对机械手臂进行故障维修，维修完成后就可以正常启动物流机器人，使其继续工作。

基于上述软件及硬件的设计，实现对物流机器人机械手臂自动化控制系统的整体设计。

3 实验与结果分析

为了验证上述设计的物流机器人机械手臂自动化控制系统的整体有效性，设计如下对比测试过程。

分别采用本文系统、文献[4]中的基于PLC和MCGS组态软件机械手控制系统(系统1)和文献[5]中的基于CoDeSys的机器人控制系统(系统2)进行实验测试。

首先选取1个物流机器人机械手臂用作本次实验研究对象，其结构如图4所示。

图4 实验控制对象

根据机械手臂的传递函数，进行以下测试。机械手臂的传递函数方程表达式为

G(s)=214 069/8 795s+65.23s2+s3

(1)

将物流机器人机械手臂的转动角度作为整个实验测试的反馈输入量，令关节角度初始值为5°。对物流机器人机械手臂进行抓取物流货物的控制实验，依据机械手臂的变换角度，采用本文系统、系统1和系统2分别对控制机械手臂的运动时间及运动误差进行测试，时间越短、误差越小，说明机械手臂的控制效果越好，反之则越差。测试结果如图5～图8所示。

图5 角度为10°时不同系统的控制时间

图6 角度为10°时不同系统的控制误差

图7 角度为20°时不同系统的控制时间

图8 角度为20°时不同系统的控制误差

本次实验共分为2个阶段，这2个阶段分别为机械手臂关节角度为10°和20°时，物流机器人机械手臂抓取物流货物的控制时间及控制误差测试。

从图5～图8可以看出，当机械手臂关节角度为10°时，本文系统的控制时间及控制误差都要低于系统1和系统2。对机械手臂的角度进行调节，当机械手臂关节角度为20°时，3种系统的控制时间、控制误差都有所提升，但本文系统提升后的控制时间及误差依旧要比其他2种系统小。

由此可见，机械手臂的关节角度对本文系统造成的影响小，这是因为本文系统设计了上、下位机软件，大大提升了物流机器人机械手臂自动化控制精度，增强了机械手臂自动化控制系统设计效果。

4 结束语

物流机器人机械手臂能够帮助企业进行日常工作，提升物流企业工作效率，但过度地依赖也会给机器人增加负担。因此，针对物流机器人机械手臂自动化控制系统设计存在的问题，本文提出物流机器人机械手臂自动化控制系统。首先对系统软件进行设计，以此提升系统的控制精度，再对系统硬件进行设计，系统软件与系统硬件的结合构成物流机器人机械手臂自动化控制系统的整体设计。该方法在机械手臂自动化控制系统设计方法中有着较好的发展空间，同时为机械手臂自动化控制系统设计提供了重要依据。