基于工控機(jī)的AGV裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐文斌,蔡容華,林科榮,孫廣大,陳彥波,譚 柱

(華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣東 廣州510800)

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，中國(guó)成為世界的加工、裝配中心，跨國(guó)物流設(shè)備企業(yè)紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，同時(shí)企業(yè)對(duì)裝配機(jī)器人的要求越來(lái)越高，使得國(guó)內(nèi)裝配機(jī)器人市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈[1]。然而國(guó)內(nèi)的AGV(Automated Guide Vehicle)裝配機(jī)器人發(fā)展相對(duì)國(guó)外較晚，AGV關(guān)鍵的傳感技術(shù)仍然依靠進(jìn)口，制約了AGV機(jī)器人的應(yīng)用普及。本文設(shè)計(jì)了一套基于工控機(jī)的雙舉升AGV，并應(yīng)用在汽車(chē)生產(chǎn)線裝配領(lǐng)域。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1所示為AGV控制系統(tǒng)示意圖。AGV控制單元采用工控機(jī)模式，數(shù)據(jù)處理單元采用高速數(shù)據(jù)處理器DSP，人機(jī)界面采用與工控機(jī)配套的觸摸屏，傳感單元采用磁帶導(dǎo)航以及PSD位置檢測(cè)模塊，伺服運(yùn)動(dòng)控制采用伺服電機(jī)與舵輪電機(jī)組合的方式，安全防護(hù)措施采用PBS扇形檢測(cè)、PX-2梅花狀檢測(cè)以及防撞條三重安全防護(hù)措施。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元采用無(wú)線網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議。

圖1 AGV控制系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

基于工控機(jī)的雙舉升AGV裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用磁導(dǎo)航傳感器尋線完成左右運(yùn)動(dòng)的位置檢測(cè)，PSD同步跟蹤模塊完成前后運(yùn)動(dòng)的位置檢測(cè)。系統(tǒng)有7路伺服電機(jī)完成各部分運(yùn)動(dòng)功能，其中動(dòng)力源電機(jī)及舵輪電機(jī)采用模擬量速度伺服控制模式，舉升電機(jī)采用模擬量位置伺服控制模式。配備了無(wú)線網(wǎng)卡的AGV通過(guò)WiFi接入網(wǎng)絡(luò)的方式,將運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，AGV終端與監(jiān)控中心之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。圖2所示為AGV控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 工控機(jī)選型及I/O擴(kuò)展

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有較高的防磁、防塵、防沖擊能力，在復(fù)雜工況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。本文采用固高GUC-T系列8軸一體化運(yùn)動(dòng)控制器，其中嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)為Intel處理器主頻1 GHz，內(nèi)存256 MB，底層數(shù)據(jù)處理器為DSP運(yùn)動(dòng)控制器。I/O擴(kuò)展主要完成尋線傳感器、PSD同步跟蹤、安全防護(hù)及操作面板等。

圖2 AGV控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 AGV動(dòng)力輪電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙舉升AGV動(dòng)力輪采用位置環(huán)的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，使得AGV在重負(fù)載的情況下能與流水線上的汽車(chē)車(chē)體保持高同步精度[2-3]。利用安裝于動(dòng)力輪電機(jī)軸上的增量式編碼器產(chǎn)生的脈沖，通過(guò)工控機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板的平滑濾波處理和電子齒輪計(jì)算指令作為位置環(huán)的輸入，工控機(jī)的控制指令設(shè)定目標(biāo)速度和來(lái)自編碼器反饋的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)速度環(huán)的PID調(diào)節(jié)，構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)。

2.3.2 AGV舵機(jī)角度伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙舉升AGV舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用差分電壓信號(hào)伺服系統(tǒng)，該閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地設(shè)置舵機(jī)的零點(diǎn)位置以及AGV斷電重啟后,能準(zhǔn)確獲知舵機(jī)角度的所在位置。當(dāng)舵輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在舵機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上電位器的線性電阻產(chǎn)生反饋電壓U0，工控機(jī)發(fā)出電壓輸出指令,將輸出目標(biāo)電壓值U1與反饋電壓U0進(jìn)行差分處理。差分信號(hào)通過(guò)PID調(diào)節(jié),使得反饋電壓U0不斷接近目標(biāo)電壓值U1,在控制過(guò)程中把測(cè)量得到的目標(biāo)電壓U1和對(duì)應(yīng)的角度量化，從而控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。

2.3.3 AGV雙舉升電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

AGV雙舉升電機(jī)采用閉環(huán)定位伺服系統(tǒng)。其原理是∶利用增量式編碼器作為舉升缸體移動(dòng)的位置傳感器，通過(guò)編碼器產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)，作為速度環(huán)和位置環(huán)的負(fù)反饋信號(hào)，再通過(guò)工控機(jī)PID調(diào)節(jié)，得到目標(biāo)速度和位置。

2.4 基于WiFi的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的雙舉升AGV通過(guò)無(wú)線WiFi與上位監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)WiFi全面覆蓋以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實(shí)際需求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)WiFi無(wú)線終端和無(wú)線接入點(diǎn)以搭建通信的橋梁。本文雙舉升AGV無(wú)線wifi采用的是Infrastructure模式，即AP模式。組成結(jié)構(gòu)至少包括一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)AP，無(wú)線站點(diǎn)通過(guò)AP與現(xiàn)有的骨干網(wǎng)相連接，組成一個(gè)基本服務(wù)組(BSS)。在BSS中，所有站點(diǎn)都使用相同的無(wú)線頻率。AGV的工控機(jī)通過(guò)車(chē)載WiFi模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線路由器建立連接，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，以確保無(wú)線通信系統(tǒng)的運(yùn)作。

2.5 系統(tǒng)安全性能設(shè)計(jì)

2.5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的雙舉升AGV的舵機(jī)需限制舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度最大轉(zhuǎn)角不超過(guò)210°，以保護(hù)電機(jī)線路以及舵機(jī)電位器的正常使用。對(duì)于其舉升電機(jī)而言，需限制缸體運(yùn)動(dòng)的上下限，以防止缸體的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械精度因過(guò)重負(fù)載的沖擊受到損傷。

雙舉升AGV屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人的范疇，必須具有對(duì)人體和自身的安全保護(hù)功能。對(duì)其車(chē)體前后安裝北陽(yáng)PBS障礙物檢測(cè)器以及松下PX-2梅花狀障礙物檢測(cè)傳感器，車(chē)體底盤(pán)外圍加裝塑料防撞護(hù)欄，構(gòu)成三層安全防護(hù)措施，進(jìn)而更為有效地防止意外發(fā)生。

2.5.2 電量不足報(bào)警及自動(dòng)充電系統(tǒng)

雙舉升AGV在檢測(cè)到電力不足時(shí)，首先通過(guò)車(chē)載無(wú)線設(shè)備向上位監(jiān)控中心發(fā)送充電請(qǐng)求信號(hào)，再由監(jiān)控中心對(duì)充電車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度處理。從監(jiān)控中心的無(wú)線設(shè)備發(fā)送充電允許指令到AGV工控機(jī)上，讓AGV自動(dòng)導(dǎo)航到充電區(qū)域進(jìn)行充電[4]。AGV能夠控制充電站的輸電系統(tǒng)，達(dá)到自主充電的目的。當(dāng)AGV底盤(pán)的接觸充電電刷移動(dòng)到充電器電刷極板上時(shí)，AGV準(zhǔn)備好充電姿態(tài)后，發(fā)出輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，控制信號(hào)閉合，AGV進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)AGV充電完畢后，便會(huì)向監(jiān)控中心發(fā)送返航請(qǐng)求，進(jìn)行后續(xù)的工作。

2.5.3 導(dǎo)航脫軌以及同步脫靶防護(hù)處理

通常情況下，AGV出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象時(shí)，若不能自動(dòng)停車(chē)處理，極易造成意外發(fā)生。如果有AGV在工作航道上處于導(dǎo)航脫軌或者同步脫靶狀態(tài)，則AGV立即自動(dòng)停車(chē)，等待人工處理，并通過(guò)車(chē)載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送處理請(qǐng)求，監(jiān)控中心提醒操作人員前往處理。

本文設(shè)計(jì)的雙舉升AGV應(yīng)用在汽車(chē)總裝流水線上，需要與流水線上移動(dòng)的吊裝汽車(chē)同步移動(dòng)，并舉升汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)后橋，輔助裝配人員完成安裝工作。同步的精度要求為±5 mm，如果同步跟蹤傳感器連續(xù)5 s沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，則視為同步跟蹤脫靶，AGV緊急停車(chē)，并將脫靶信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心作出，停止流水線的緊急處理。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的AGV軟件系統(tǒng)總體分為11個(gè)模塊，包括：運(yùn)行故障控制算法、站點(diǎn)識(shí)別控制算法、前主動(dòng)輪伺服控制、前舵輪伺服控制、后主動(dòng)輪伺服控制、后舵輪伺服控制、前磁導(dǎo)航循跡算法、后磁導(dǎo)航循跡算法、前后輪速度差算法、模擬量數(shù)據(jù)采集算法、串口通信算法，實(shí)現(xiàn)了AGV的不同功能AGV在啟動(dòng)階段對(duì)所有傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，在所有傳感器工作狀態(tài)良好的前提下，AGV才會(huì)進(jìn)入啟動(dòng)界面，達(dá)到開(kāi)機(jī)自檢的目的。采用RFID卡為地標(biāo)建立電子地圖站點(diǎn)，為AGV行駛過(guò)程中的關(guān)鍵位置提供信息。

3.2 工控機(jī)界面設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的多線程性、程序的良好分裝性以及實(shí)時(shí)性，本文設(shè)計(jì)的AGV控制采用VC++語(yǔ)言。AGV控制系統(tǒng)主界面分為6大功能區(qū)域：(1)速度參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行速度大小的調(diào)節(jié)，并設(shè)有固定的4檔變速按鈕；(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行對(duì)前后輪電機(jī)與舵機(jī)的PID調(diào)節(jié)；(3)軌跡參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行電子地圖的建立，設(shè)置站點(diǎn)和站點(diǎn)的指令；(4)開(kāi)始運(yùn)行：系統(tǒng)進(jìn)入自主循跡與同步跟蹤狀態(tài)；(5)手動(dòng)模式：考慮車(chē)體較大，移動(dòng)不方便，在安裝調(diào)試時(shí)可啟動(dòng)手動(dòng)模式，進(jìn)行手動(dòng)控制行走狀態(tài)；(6)遠(yuǎn)程端控制：將AGV的定位地址和基本信息反饋到中央控制系統(tǒng)，方便中央控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

3.3 磁導(dǎo)航循線設(shè)計(jì)

由于磁導(dǎo)航傳感器的檢測(cè)精度、抗干擾性能及經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)勢(shì)，能夠更方便地應(yīng)用于磁導(dǎo)系統(tǒng)，因此AGV采用磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，車(chē)體地盤(pán)采用雙驅(qū)動(dòng)輪加舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制。

3.3.1 車(chē)體直線運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)

如果AGV車(chē)體偏離磁條的導(dǎo)航軌跡，通過(guò)磁傳感器可以檢測(cè)到如下相對(duì)應(yīng)的偏離情況：整車(chē)平行偏移、后輪單獨(dú)偏移、前輪單獨(dú)偏移和前后輪同時(shí)偏移不同距離。采用的解決方式為：前后輪分別獨(dú)立針對(duì)自身對(duì)應(yīng)的傳感器偏移量進(jìn)行PID控制。前輪根據(jù)前排傳感器反饋的偏移量進(jìn)行PID運(yùn)算結(jié)果，調(diào)整前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向，矯正車(chē)頭；后輪根據(jù)后排傳感器反饋的偏移量進(jìn)行PID運(yùn)算結(jié)果，調(diào)整后輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向，矯正車(chē)尾。通過(guò)前后的配合，當(dāng)前后的傳感器都處于磁條中心位置時(shí)，車(chē)體處于同一直線上，實(shí)現(xiàn)了車(chē)體的直線運(yùn)行和對(duì)車(chē)體姿態(tài)的控制。

3.3.2 車(chē)體漂移控制實(shí)現(xiàn)

圖3所示為車(chē)體漂移控制原理圖，車(chē)體進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，前后輪舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90°。車(chē)體橫向移動(dòng)時(shí)，前后傳感器都感應(yīng)到磁條的存在，則切換進(jìn)入巡線或者其他模式。假如車(chē)體左漂移，此時(shí)車(chē)體沿后退方向(前進(jìn)方向)進(jìn)行巡線。前后舵機(jī)應(yīng)當(dāng)是順時(shí)針(逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng) 90°，主驅(qū)動(dòng)輪往后轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)體向左漂移。當(dāng)檢測(cè)到磁條時(shí)，舵機(jī)慢慢回位到0°。由于主動(dòng)輪是往后轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了往后巡線的功能。

圖3 車(chē)體漂移控制原理圖

3.4 基于PSD的裝配線同步設(shè)計(jì)

對(duì)于流水線的裝配，AGV裝配機(jī)器人與頂部流水線的同步跟蹤定位是至關(guān)重要的部分，本文采用PSD位置同步跟蹤傳感器，實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)行[5]。圖4所示為PSD位置檢測(cè)原理圖，當(dāng)光源發(fā)出的光通過(guò)透鏡聚光照射到物體上時(shí)，受光透鏡接收到來(lái)自物體的反射光，在位置感應(yīng)元件(PSD)上聚光，將物體在PSD上成像的中心位置換算成物體實(shí)際的距離，物體的實(shí)際位置與PSD的成像之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。在流水線上對(duì)應(yīng)的裝配位置配置一個(gè)斜坡，通過(guò)PSD檢測(cè)到相應(yīng)的位置就可以判斷出AGV裝配機(jī)器人與流水線的相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)同步跟蹤。

圖4 PSD位置檢測(cè)原理圖

3.5 基于RFID站點(diǎn)識(shí)別設(shè)計(jì)

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立的機(jī)械或光學(xué)接觸信號(hào)。標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。本文所設(shè)計(jì)的站點(diǎn)采用FRID作為標(biāo)簽卡，將站點(diǎn)信息存入卡中。通過(guò)讀卡可以獲取相應(yīng)的漂移、減速、停止等信息，讀卡器解讀信息后，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。串口通信采用Modbus通信協(xié)議，包含起始位、卡號(hào)、數(shù)據(jù)區(qū)、停止位和CRC校驗(yàn)位。

利用AGV在流動(dòng)的生產(chǎn)線中進(jìn)行測(cè)試,完成了各部分功能的測(cè)試與運(yùn)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)了AGV與裝配流水線的同步跟蹤。AGV重復(fù)定位精度為1 mm，同步跟蹤精度為0.3 mm，通過(guò)輔助舉升結(jié)構(gòu)的柔性化浮動(dòng)盤(pán)，達(dá)到了AGV裝配的精度要求。

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