四自由度绘图机器人的控制系统设计

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1、四自由度绘图机器人的控制系统设计0 引言 在丁业生产过程中，为了对加工零件的型号、尺寸等作以标识，需要专用绘图设 备对其进行标记。本文针对这一生产需要，模拟工业现场环境，设计了可完成绘 图、划线、切割等功能于一体的机器简称绘图机器人。传感器技术、图像采 集与识别技术、 最优化技术以及路径规划算法等理论的发展，为绘图机器人的实 现提供了技术与理论依据。 曾在 2006 年中国围际工业博览会上， 由 ABB 公司制 造的绘图机器人“神笔马良”就吸引了很多人的关注 。 1 机器人机械结构 11 机器人本体结构 本文研究的机器人为实验室自主开发的四自由度机器人， 采用 PC 机+触摸屏+运 动控制器构

2、成的开放式控制系统， 由一块运动控制器控制四轴的运动， 可实现 x、 y、z 方向的直线运动及 C 方向的回转运动。其结构图如图 l 所示，主要由 x 轴 滚轮，l，轴手臂，z 轴丝杠，c 向同转驱动、电机驱动，导向立柱，同步带及底 座组成，其技术参数和运动实现形式见表 l、表 2。根据完成功能的不同，选择 相应执行装置通过装夹装置固定安装在 Y 轴手爪处。本文采用画笔。12 机器人传感器模块 传感器类似于人的五官， 是机器人感知外部环境的直接手段。本设计采用的传感 器包括：(1)接近开关：4 个接近开关均选用 AOTORO 的 FRl8-8DN，其有效测量 距离为 8ram，分别安装在 l，

3、轴手爪和 Z 轴导向立柱处，用于 y 轴左右、z 轴上 下限位。 当金属检测体靠近开关的感应区域，开关迅速发出指令反馈给运动控制 器，运动控制器接到反馈信号，发出控制信号，控制电机动作同时产生报 警信号1。 (2)超声波传感器：用于 X 轴行动过程中的避障，有效测距分为 3 个量程，分别 是 9m、3m 和 lm。当机器人在行驶中检测到前方有障碍物时，立即停止前进， 原地等待并发出报警信号，直至障碍物消失再继续前进。 (3)角度传感器：在绘制某些图形的过程中，需 要画板与画笔之间有一角度，该传感器就是用于 C 向回转中角度的信号检测。 2 个角度传感器均采用国产的 TDRBZ。A 型磁敏感角度

4、传感器，有效测量量 程为 0。一 360。 ，分别安装在设定的旋转起点和需要角度的旋转终点。终点角度 传感器将检测到的信号发送给控制器，控制器经过运算、判断，在到达所需角度 位置处发出控制信号，旋转运动结束，机器人开始下一个动作。 2 机器人控制系统的硬件结构的搭建 21 机器人控制系统的硬件结构 传统的机器人大多采用封闭或半封闭的结构， 其功能主要根据使用者的要求来确 定的，一旦工作任务发生了改变，机器人将变得毫无用途，造成了巨大的浪费。 针对这一弊端，本文设计了基于 PC 机+人机交互+运动控制器的开放式系统， 具 有互操作性、可移植性、可伸缩性、可互换性等优点4。 。为提高系统的通用性，

5、 便于系统的扩展和移植，将控制系统分为 4 个部分，如图 2 所示。具体包括： 机 器人本体、运动控制器、人机交换以及遥控模块。(1)机器人本体：是系统的被控对象，包括步进电机、接近开关、超声波传感器 以及机械结构。其中机械结构包括机器人的传动装置与末端执行机构 等；接近开关、超声波传感器前面已做了详细介绍。 (2)运动控制器：控制器的作用与人的小脑相似。它从计算机获取数据，控制驱 动器的动作， 并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。运动控制器是通过对 以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置， 与传统的控制装置相比，运动控制器具有：技术更新，功能更加强大，可以实

6、现 多种运动轨迹的控制；结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场 合、不同功能需求的控制系统；操作简单，在 PC 机上经简单编程即可实现运动 控制，并且具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等 特点5 引。 本设计采用 Trio(翠欧)公司生产的 Eur0205x 型运动控制器，具有以下功能1： 1)编程：Eur0205x 具有多重任务能力，可以将一个复杂任务分解为不同的程序， 从而可以单独对每个程序进行开发、调试和运行，大大降低开发程序的难度。 2)IO 能力： Eur0205x 本体具有 16 个内置的 24V 开关量输入口和 8 个内置的输 出口。 这些开关

7、量可作为系统内部的逻辑交换变量，或者根据实际需要用于连接 控制器的限位信号、原点信号及一些反馈信号。 3)通信：Eur0205x 有 2 个内置的 RS-232 串口和 1 个 Rs485 口，以及为其他通讯 扩展而预留的 1 个 TTL 通道。 通过 1 个外部适配器可以使这个， I-IL 端口与 Trio 光纤网络设备相连。 4)轴的配置：Eur0205x 总共可以控制 4 个轴，4 个伺服或 4 个步进或者为 2 者的 任意组合， 而在软件上可以通过增加虚拟轴的方式增加到 8 个轴。任何没有实际 硬件接口的轴都可以作为虚拟轴使用。 (3)人机界面触摸屏：本设计采用的人一机交互界面是由 W

8、einView 公司的 eView MT500 系列触摸屏。它具有指示灯、开关、各种动态图表、数据 显示、数据输入、异常报警、静态显示等功能。触模屏在工作时报告给主机的是 屏幕的位置信息。在进行操作时，操作人员只需将精力集中于所关心的对 象，而不必注意光标原先所处的位置，为操作提供极大的方便o。 (4)遥控模块：为了对机器人进行远程操作，设计了遥控模块。它由六个常开开 关集成，包含输出引脚儿、J2、J3、J4、J5、J6，有效操作范围为 12m，主要 控制 x 轴、l，轴的正向、负向以及开始、停止等运动。22 机器人控制系统硬 件搭建 221 运动控制器与机械本体的连接 运动控制器是控制系统的

9、核心组成部分。它根据上位机发出的命令，输入完成轨 迹规划、接收运动控制信号及参数，做出运算，并把控制输出送到相应的驱动器 或执行器，进而完成对被控对象的控制等实时性的任务9。 Eur0205x 型 Trio 运动控制器包括 4 部分引脚，分别用 X1、X2、X3、X4 表示， 其中 XI 引脚用于开关量输入、输出信号；X2 引脚用于集电极开路输出的脉 冲、方向信号；X3 引脚用于差分输出的脉冲、方向信号(或编码器反馈信号的差 分接受)、集电极开路输出的使能等信号；X4 引脚用于模拟量输入、输出信 号。通过分析机器人的运动特点与实现功能，设计中仅使用 X1、X3 引脚。其连 线见图 3、图 4。

10、222 运动控制器与上位机的通讯 运动控制器与上位机的通讯包括与 PC 机、触摸屏的通讯。控制器与 PC 机的通 讯主要通过 Trio 公司提供的 Motion Perfect2 软件负责下位机 Eur0205x 的程序编 写、调试甚至在线监测。在 PC 上将程序编写完成后，通过 PC 上面的 1 个 tom 口，用串行编程电缆与 Eur0205x 上的编程串口 serialA 相连，就可实现与 Trio的通讯。 将程序下载到 Tiro Eur0205x 中后， 如果需要， 可拆除编程电缆实现 Trio 的脱机运行。Trio 与触摸屏通讯，首先需要将 Trio 上的 RS485(即 seria

11、lB)接口设 定为 MODBUS 协议，然后通过下载线与触摸屏上的下载端口连接，就可实现与 触摸屏的通讯。Trio 运动控制器与 EasyView 触摸屏之间的信息交互主要通过变 量地址映射方式来实现。不同的变量映射不同的地址，这一点非常重要，如果映 射错误，将会使系统发生故障，甚至造成电机的误动作 。 3 机器人控制系统软件设计 我们知道，在工业控制系统中，硬件只是控制系统的躯体，而软件才是控制系统 的大脑和灵魂。 软件是人的思维与机器硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算 机的正常运行， 硬件功能的充分发挥和推广应用，软件的研究和开发是整个控制 系统的关键和中心环节。本文中，软件设计主要包括

12、 TRIO 控制程序设计和触摸 屏操作界面设计两部分。 31 TRIO 程序设计 TRIO 程序采用 Trio Basic 语言编写，是整个控制系统的核心部分，可完成电机 控制、 轨迹插补、 速度处理、 各轴位置检测、 传感器状态查询等高实时性的任务。 TRIO 程序的编写采用模块化的思想，将不同的任务编写划分成不同的模块，并 根据优先级别的不同，在 TRIO 的一个大的 goto loop 循环中执行、跳转、查询 各模块程序。其程序流程图如下图 5 所示。关于流程图中某些图框内容的说明： 系统初始化： 初始化程序主要包括各轴运动行程的限定 各轴重复距离的设定， 脉冲发送模式设定。单位、速度设

13、定，变量、IO 说明等内容。 起点相对位置：指在工作中画笔与画板的相对位置。为了减少动作的盲目性，方便机器人在较短的时间内找到绘图位置，设定画笔的坐标位置与画板的工作区域存在一一对应关 系。设计中规定画笔在 X、y、z 轴的中心位置的坐标对应画板每个工作面的右 下角位置为起点位置(在有旋转的情况下，可手动移动画板，从而保证对应关系 的存在)，以画板的长、宽、高分别对 X、y、Z 的最大位移进行限制，在各向长 度范围外，机器人发出报警信号，并停止动作。以绘制正六边形为例说明 TRIO 程序设计及 Trio Basic 语言编写。程序主要包括串行口设置、初始化、找原点 (初始位置设定)、任务程序、

14、报警五个模块组成，主要模块的 Trio Basic 语言见 表 3。32 触摸屏操作界面设计 触摸屏作为人及交互界面，主要负责控制命令发送、控制参数设定、控制状态切换以及系统 的启动、急停和故障等功能。该部分软件使用 WeinView 公司的 Easy Builder500 编写，EasyBuilder500 提供了位状态指示灯、多状态指示灯、位状态设定、多状态设定、位状态切换开 关、多状态切换开关、动画、数值输入、数值显示、棒图、表针、报警信息登录、报警信 息显示等元件“，设计者可将元件用位图、向量图图库中的任意图形表示，或者根据需要 自己绘制，提高了界面的可视性及设计的特色化。触摸屏的设计

15、利用模块化思想，其主界面 如上图 6 所示，功能实现模块可根据需要及机器人功能的增加随时扩充。33 机器人运行结果及分析 图 7 为机器人实际运行结果。与预想结果相比，其原因主要有：由于 X 轴滚轮在光滑地 板上运动，地面上很小的物体都有可能改变 X 轴运动轨迹，进而影响画笔的运动。改进方 法：以型号为30305 的角钢为导轨对滚轮起导向作用，既保证了机器人的直线运动并 有效减小了机器人自身重量对地面的影响及滚轮的磨损；X、Y 轴速度的设定。虽然运动 控制器可实现两轴的联动，即进行直线、圆弧插补，但是其插补算法的完成是通过各轴的位 移量实现的。位移不同，完成的轨迹与坐标相对角度也不同，进而影响

16、运动效果。又因为在 相同时间内，位移仅与速度有关，所以要保证精度，各轴的速度设定至关重要。4 结束语 本文以绘制正六边形为例，设计了以 PC 机+触摸屏为上位机、以运动控制器为下位机的开 放式控制系统。上位机软件 Motion Perfect2 提供的直线插补、圆弧插补、CAM(电子凸轮) 控制等保证了直线、 圆弧及其他不规则图形的绘制， 并可通过示波器功能对各轴的运动参数 进行在线监控。触摸屏与控制器之间以 MODBUS 为通讯协议，根据变量地址映射，通过 RS-232、RS-485 完成机器人的离线操作。各传感器的使用提高了机器人对环境的判断、自 适应能力及机器人的智能化程度。实验表明，该机器人工作稳定可靠，性能、精度均可满足 设计要求。