上下料机器人设计

上下料机器人设计

摘要：主要介绍基于plc和机械结构的针对于自动化机床和工业梁用的机械人。简述了工

业机械人的现状的发展现状及前景，及其主要的发展方向和用途。发达国家的使用经验表明：使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等

关键词：机床上下料，自动化，plc，工业机器人

机器人的自平衡控制系统

机器人的自平衡系统在各行各业具有广泛的应用，而轮式移动自平衡机器人由于具有结构简单、可控性强、成本低等优点，成为移动式机器人研究的一个主要方向。自平衡机器人采用水平布置的两轮结构，本身是一个不稳定体。也就是 说，自平衡机器人在静止状态下，不能保持平衡，车体总是要向前或向后倾倒；而在运动状态下，可以通过一定的控制策略使它达到动态平衡一 。由于自平衡系统具有内在不稳定性和结构灵活性，国内外机器人爱好者设计了多种结构、外观各异的自平衡机器人，尝试采用各种控制策略使其达到自平衡控制。通常这类机器人采用姿态传感器检测机器人车体的倾倒角度和倾倒角速度，根据当前机器人姿态控制伺服电机驱动电压的转向和转速，从而使机器人保持平衡。该方式制作的自平衡机器人虽然控制性能良好，但成本高，不适合广泛推广。本文设计的机器人尝试采用红外测距传感器测量车体与地面的距离，通过计算获取机器人的姿态信息，进而实现机器人的自平衡 。 系统结构

自平衡机器人系统主要由机械行走装置、控制系统和传感器3部分组成，机械行走装置主要由车体平台、电机驱动器、直流无刷电机、齿轮减速机构和车轮组成。机器人采用48 V电池供电，通过DC-DC模块转换为5 V和24 V 电压。其中，5 V提供给控制系统和传感器，24 V提供给电机驱动器。控制系统以ATmegal28单片机为主控制芯片，通过SJA1000扩展CAN总线与电机驱动器通信。红外测距传感器的输出是与距离成正比的模拟电压值，输入到单片机的A／D采样端口进行处理从而得到距离信息。机器人的系统结构框图如图2所示。图2 机器人系统结构框图 姿态信息获取

机器人的姿态信息包括倾倒的

图3所示，机器人左右两侧水平位置各安装有1个红外测距传感器，可以测量与 地面之间的距离d 和d 。当机器人在竖直状态时，左右传感器距离差为零。当机器人倾倒时，距离差与倾倒角度 成函数关系如下： 图3 传感器设置位置简图 sin 0一(d2一d1)／D其中，D为传感器之问的距离。机器人在竖直动态控制时倾倒角度范围较小，此时sin0~-．0，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。角速度可以通过 对时间求导获得。选用的红外测距传感器为Sharp公司的GP2D1 2，输出为0．4～2．4 V的模拟信号，对应的测量距离为1O～80 cm。在同一温度下，传感器的输出与测量结果呈良好的线性关系，可以满足自平衡机器人

的要求。

3 控制系统设计

3．1 机器人平衡控制原理

当车体偏离平衡位置(竖直位置)向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进行计算和判断，车轮随之作出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；同样当车体向后倾斜时，车轮将向后运动。这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态过程中，使车体始终保持在平衡位置附近，达到一种动态平衡。 3．2 控制系统硬件设计

控制系统主芯片选用Atmel公司基于RISC结构的8位单片机ATmegal28。它采用 低功耗CMOS工艺；具有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB的数据SRAM、l28 KB的程序Flash、可外扩至64 KB的E PROM 和8个1O位ADC通道；拥有UART、SPI、I。C、JTAG接口，方便外部扩展和传感器的接入一 。 3．2．1 传感信息输入电路 传感器信号通过放大器引入，通过设置反馈电阻(R1和R2)和输出端电阻(R3和R4)的阻值可以使输入的电压值在要求的范围内。具体硬件电路如图4所示。

3．2．2 扩展CAN通信电路

单片机与电机控制器采用CAN e2,线通信，CAN接口采用Philips公司的CAN 物理层和链路层接口芯片

SJA1000和PCA82C250。单片机直接控制SJA1000的ADO～AD7、ALE、INT引脚。SJA1000工作在Intel模式下，MODE脚接高电平，片选脚CS接地，始终处于选通状态。扩展CAN通信电路如图5所示。单片机对SJA1000的操作主要是对寄存器的操作：一方面，对SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断允许寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器、时钟分频计

数器进行设置和检测；另一方面，对收发缓冲区进行读写，从而和CAN设备交换数据。

图5 扩展CAN通信电路 控制系统软件设计

自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的i／o 口、CAN 口、控制周期定时器、A／D转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到A／D转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID

自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系 统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的i／o 口、CAN 口、控制周期定时器、A／D转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到A／D转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID

算法计算电机控制数据，并通过

CAN 口输出给电机驱动器。 速度PID控制算法

机器人采用经典的PID算法进行平衡控制。控制系统采用典型的双闭环控制结构和前馈控制方法。速度环路设计有利于提高电机输出速度精度。前馈控制主要是为了补偿电机转轴与车轮转动轴以及传动系统的间隙误差，这些误差是稳定的、可以测量的。当电机在正反转变换时，控制系统可以检测到变换方向，经过位置误差环节调整后把确定的偏差补偿量叠加到驱动主函数系统初始化CANH控制信号输出到电机驱动器器输出端。这样电机转动的角度在 图6 系统控制流程原理基础上增加了补偿量，机械误差得以修正。采用PID控制算法公式如下： “(忌)一 (忌一1)+ A“(是)

Au(k)一KP[P(愚)一e(k一1)]+K1P( )+Kd[P(尼)一 28(矗一1)+e(k一2)]

其中，“(惫)为当前调节器输出量；“( 一1)为上一次调节 器输出量；Au(k)为当前控制增量； (愚)为当前控制误差量； 为比例系数；KI为积分系数；K 为微分系数。PID控制算 法流程如图7所示。图中，e为调试过程中设定的误差值。

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