目录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.2.1 搬运机器人发展现状 2
1.2.2 机器人控制系统发展现状 4
2 搬运机器人控制系统总体设计 6
2.1系统功能需求分析 6
2.2系统方案设计 6
2.2.1 系统总体组成结构 6
2.2.2 导航定位方式选择 7
2.2.3 通信方式选择 7
2.3 搬运机器人机械结构概要设计 8
2.3.1 总体构造设计 8
2.3.2 驱动方式选择 8
2.3.3 底盘传感器安装位置设计 8
2.3.4 外壳设计 9
2.4 搬运机器人控制系统核心部件选型. 9
2.4.1 运动控制模块选型 9
2.4.2 供电电池选型 9
2.4.3 导航定位模块选型 9
2.4.4 红外避障模块选型 10
2.4.5 无线通信模块选型 10
3 搬运机器人控制系统硬件设计与实现 10
3.1 引言 10
3.2 技术要求 11
3.3 控制方案 11
4 搬运机器人控制系统软件设计 13
4.1 系统软件总体构架设计 13
4.2 数据采集模块设计 13
4.2.1 数据采集模块 14
4.2.2 二维码信息采集程序设计 14
4.2.3 灰度循迹模块数据采集与处理程序设计 14
4.3 模块划分与系统硬件 14
4.3.1 运动控制模块 15
4.3.2 控制系统改善解决方案 16
4.4 运动控制模块软件设计 17
4.4.1 电机转速闭环控制算法设计 17
4.4.2 电机速度控制模块设计 17
4.4.3 电机方向控制算法设计 17
4.5 无线通信模块软件设计 17
5 搬运机器人控制系统调试 18
5.1 控制系统硬件调试 18
5.1.1 主控模块测试 19
5.1.2 运动控制模块调试 19
5.2 控制系统软件调试 19
5.3 系统联合调试 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22

搬运机器人控制系统设计

摘 要：搬运机器人产品作为一种比较典型的工业机器人，被广泛地应用到石油、天然气、煤炭、电子、机械、机具、工艺、机械等各种行业，并向其他领域进行不断地延伸、发展。随着现代计算机技术和现场总线技术的不断进步和发展，可扩充、可移植、互联、更容易集成的开放式控制系统正逐渐成为现代控制系统的发展趋势。本文主要以搬运机器人的控制系统为主要研究对象，基于移动式机器人技术在现场搬运操作中的应用，将当前较为流行的移动式机器人控制系统和具体搬运操作中的控制方法相互地结合起来进行了研究和分析。

关键词：搬运机器人；控制系统；设计

搬运机器人控制系统设计

1 绪论
工业机器人行业作为一个新兴的信息时代产业，为推动现代工业的高速自动化生产及先进设备制造提供了一个极为重要的基础和技术保障，其在拓宽企业规模、扩大生产力、促进经济社会的发展等各个方面所能够起到的意义也愈显突出。作为一种现代化企业生产的全部必须具有不可取代性的重要技术手段和不可忽视的工业装置，工业机器人已在很大程度上改变了整个社会的生产、生活方式。
外资上市公司以及一些民营国有大型制造企业，对于民营、中小型的制造企业而言，用不上、用得起、做得不好的都是工业制造机器人这类产品技术含量相对较高、生产成本相对昂贵的大型工业和民用自动化制造设备。积极进行实体经济管理结构的良性调整、产业结构调整优化和企业转型改造升级的各种迫切需要，许多民营、中小型的民营企业已经逐渐地充分正确意识和看到了工业自动化作为工业生产设备的重要应用性和优势，因此在许多民营企业的实际生产中已经逐步性地开始认真考虑如何利用目前工业化的机器人技术来直接代替我们传统的的人工智能操作，且其技术发展的迭代速度很快、延伸和连贯性非常强。从总体上来来看，虽然与上述两家公司和其他现代机器人智能制造装备企业仍然之间存在着明显的技术差距，但是市场潜力和发展前景巨大。
1.1 研究背景与意义
提高安全和可靠度的需要同时，能够有效率地减少企业人力资源的大量开支、促进中小企业发展实现社会经济效益的实现最大化、推进了中小企业进行产业结构调整转型改造升级和企业市场竞争。
尤其特别多的是经过近些年来，伴随着当前我国先进现代科学工程技术的伟大跨越进步和快速经济发展、企业安全生产管理经营规模的不断扩大持续发展壮大以及我国企业安全生产经营管理系统自动化应用程度的不断提高增强，搬运工业机器人装备在生产操作上的自动柔性、操作速度、故障分析诊断和事故处理反应能力及安全性和可靠性等各个方面的基本功能在不断得到改善和逐步提高的基础上，开发中的费用和制造成本正在不断扩大下降;同时，受益于当前我们党和国家的企业科研扶持政策不断完善、科研开发资金投入的不断扩大增强、对于民用工业搬运机器人装备制造技术产业及其他技术相关企业公司的大力投资支持，我国民用工业搬运机器人制造技术已经不断取得了一些历史性的长足进步，搬运工业机器人也已经得以不断地得到推广和广泛应用，在实际上有效促进了工业机器人制造技术的进一步不断地发展完善、成熟。这些均已经有效的直接促进了我国移动交通搬运业和机器人技术在服务行业内的快速推广和广泛应用以及其对于整体服务行业的快速产品化。
（1）目前现有的国产大型搬运机器人在工作时的负载能力普遍相对较低，对于许多工作中需要一定的高负载能力的场所譬如:铸造、汽车制动等，都不能完全满足它们的需求。
（2）市场需求的变化是产品技术创新的一个根本驱动力，课题研究工作应该紧紧地迎合产品市场的变化和需求，在实际推广和应用中不断地完善和改进，这是推动产品技术的发展、进步的一个根本规律，与此同时，要高度重视产品企业自身作为产品技术推广服务平台对于产品的发展及其应用所能够起到的重大促进作用。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 搬运机器人发展现状
在国外，搬运车和机器人的先进技术和它们的商业推广应用目前己经非常成熟。作为一种国际标准的用于现代机械工业的全自动化生产设备，搬运车械机器人技术僻经被广泛应用于各种机械工业生产、制造的各领域，大部分用于现代机械工业的全自动化的工业生产线均有的是直接采用自动搬运车械机器人技术来直接代替一些传统的机械人工进行搬运机械操作。目前，搬运工业机器人的中国市场主要被中国日本、欧美等发达国家和开发地区所公司占据:日本体系中主要产业包括产品yaskawa.fanuc、∞>otc、nachi、kawasaki等，欧美公司体系中主要产品包括yakuka、abb、comau等，其中许多跨国公司甚至已发展成为其他国家公司总部所在国的地区和发达国家的重要政治经济社会支柱和大企业式。
与国外企业相比，国内的大型工业工程机器人技术研发企业技术基础薄弱、起步较迟。在中共党中央以及党和国家有关主管部门积极牵头及其他多项相关国家优惠政策的大力鼓励支持下，针对许多种不同类型的现代工业应用机器人，例如:点火钎焊、孤立连接、喷涂、搬运等，开展了一些国家重点的工业科技创新项目技术攻关，并且已经成功取得了一大批的技术科研成果，造就了当前关于我国现代工业应用机器人相关领域技术研究的第一个崭新高潮。但由于国内遭遇诸多不同原因的政策限制，例如民用机器人高速控制传动系统和新型ac自动伺服系统、rv自动减速机等诸多行业关键配套零部件的大量出现以及产品进口配套困难、国产品技术质量严重不过关等，国内民用机器人制造行业始终一直未能初步形成一定生存发展规模，在关键配套的相关零部件等诸多领域一直都认为是主要靠外国进口。

图1-1搬运机器人
但是就其总体而言，与国外企业相比，目前国内的大型搬运机器人不论是其技术成熟程度还是在产业化和推广应用上都还只是处于初级起步阶段。国产的搬运机器人在安全、可靠性、智能化、搬运操纵速度、重复工艺精度等许多方面，与国外的产品相比，都有所差距。因此，不仅我们企业需要充分地及时结合当前当下我国的市场实际和相关市场的发国情况并针对行业搬运运输机器人及其产品相关行业的发展现状情况做出深入的市场调研和广泛的行业研究，以便于全面、细致地研究制定和合理规划国内外行业搬运运输机器人及其诸多技术相关产品行业，更好地利用聚焦国内外的行业优势技术资源积极地投入推进其技术工业化的发展过程，而且还我们需要根据我们企业实际的产品生产线和经营发展情况、顾客的不同要求，更加努力快速解决、更加努力加快地快速建立和更新完善我们的国产产品企业针对现有的在搬家和运输移动机器人行业工作中可能存在的技术缺陷与存在问题，研究、探索、开发了行业搬运运输机器人行业工作过程中的新技术功能、新技术特征，并积极研究探索了行业搬运运输机器人行业工作中各种技术产业化的发展技术方向，不断逐步提升了当前我国的行业搬运运输机器人行业工作中各种产业技术水平，从而有效促进了整个行业搬运运输机器人行业工作中各种技术产业化的发展进程。
1.2.2 机器人控制系统发展现状
对机器人控制系统的体系架构进行了研究，主要目的就是为了研究机器人控制系统中不同的功能模块之间的相互关系。随着在各类生产设备领域的广泛应用和普及，机器人逐渐已经发展成为我国工业自动化生产管理系统的一个标准化组件单元，这已经逐渐成为当前现代化机械生产的一种发展趋势。
硬件与控制软件必须是完整的，而机器人也是控制器和仪表必须十分重视的两个组成部分。机器人和微控制器的功能设计工作过程主要分为包括各种基础性的功能设计和各种结构化的功能设计，其中所谓基础性的功能设计主要内容指的就是通过软件实现控制算法以及其他的对控制系统功能的准确定义，结构化的功能设计就是在软、硬件的结合平台上可以实现各类控制功能的合理灵活划分和准确传递的控制功能。由对具体的自动控制器、控制软件系统硬件、单独系统控制的软件研究，转变发展到对具体开放式系统硬件结构、控制器系统软件、多机器人协调控制的硬件研究，这些都已经是当前关于机器人自动控制器的硬件研究技术发展最新鲜的思路与发展趋势。国外对于移动机器人搬运控制器的深入应用研究和在我国国内开展的研究时间相对较早，目前已经广泛接触了解到了来自世界各国和地区乃至目前全国国内主流的大型移动搬运企业机器人部件制造商和设备生产商的工厂。日本、欧美的这些不同类型工业机器人运动控制智能仪表的整体运动控制处理能力良好、技术成熟应用程度高、安全性和可靠性强、智能化度和管理水平高，并且我们比较有利于针对性地对其进行了许多一些具有高度创新发展意识、前瞻性的技术探索。针对采用微处理器的这种开放式模块管理体系设计架构，尤其多的是在模块功能的合理分配、模块之间的各种信息交流互动和数据交换以及各个模块功能所应用需要自动实现的基本理论、具体技术手段和管理方法，国外已经为此投入了巨大的科研资金、人力和精神物力，也已经成功取得了许多的国外科研成果。其中，比较活跃具有国际影响、比较成熟富有国际代表性的主要群体是现代欧洲。SECO而国内针对于工业机器人的自动控制器系统结构的深入研究相对较少、开始的技术研究相对较晚，国内的相关研究指导工作更多地主要集中于对工业机器人的自动控制系统战略、算法等各个方面问题进行深入研究。但国内近几年在充分、反复地分析比较以上三种管理体系组件结构的性能优劣基础上，将应用OMACOM体系组件结构与应用COM体系组件管理技术有机地充分紧密结合在一起，搭建设计出一套完全具有开放式组件体系管理结构的组件控制器，掌握了国内一系列人在实现开放式管理体系组件结构时所需要的、共性的、关键技术，譬如应用COM体系组件管理技术、实时任务运行管理系统及其他各种多任务的自动调度。然而，总体情况来看，差距还是相当明显的。
开放式系统体系架构的控制设备系统的主要硬件平台以工控机为主，然而在对于软件平台进行选型时，其选择的余地比较多。对于科学家和研发者的技术要求相对比较低、开发困难程度相对比较小，缺点之处就是其价格昂贵而且导致了开发费用高、基础设施差、底层技术和保密问题，此类软件平台的最大优点主要就是在于应用软件开发源代码完全开放、可以进行完全免费开放使用、不至于需要任何涉及软件得到自主知识产权以及其在基础软件设施的最底层没有应用软件开发的技术局限性，缺点主要就是对于软件研发专业人才的技术质量水平要求比较高、开发困难严重程度大、周期长、工作量大、相关的专业技术扶持支撑少，不利于其它的后续业务发展、优化和管來。软件平台的正确选择直接影响涉及到控制系统的研究和开发困难、价格和成本等许多实践中的问题，因此我们在到底该如何选择什么样的软件平台这个问题上，国内面临着许多困难的选择。
它主要是基于作为一种运动控制器硬件基础上的一种底层软件架构的一种运动控制器，是用于实现对运动机器人身体进行实时速度运动和动态控制的一个重要技术核心和可组成的元部件。其中一些比较出色、也很多具有国际影响力和具有代表性的技术产品，国外先进高新技术企业包括AAPMAC、GALIL、TRIO、MEI、ACS>AEROTECH、BALDOR、PARKER等，国内先进高新技术企业包括固高运动控制器，其发展趋势都通常应该肯定是以先进的、高性能的运动DSP与DSFPGA元件作为主要的系统核心运动控制元件，通过软件与伺服控制技术结合来自动实现更加复杂的系统运动控制设计算法，具有一个更加易于进行拓宽、集成的运动开放式系统软件结构。譬如说由美国CIMETRIX公司最新产品自主开发研制的ETR0BLINE智能运动系统控制器，是一种基于RXLYNXOS的运动操作系统、并且同时具有开放式智能运动系统体系管理架构的一种底层智能运动系统控制器，在基于国际标准的不同运动操作系统平台下，它们就能够轻松地自动实现对多种不同类型运动机器人的远程控制和自动采购。而诸如YASKAWA.ABB、KUKA等几个国内外较为主流的工业机器人软件制造商和生产厂家为了能够实现对工业机器人运动进行高精尖、复杂的对运动的远程控制，所以他们采用的系统底层软件运动操作控制器大都用的是基于YXVXWORKS的运动操作系统。
2 搬运机器人控制系统总体设计
2.1系统功能需求分析
仓库物流处理机器人在电子商务物流中心的工作区整齐地放置了几个架子。仓库物流处理机器人会等待出口职员的指示，接到指示后可以走到货架底部。升降机构用于将货架运送到分类区进行操作，并将货架移动到原位置。为了提高收纳空间的利用效率，尽可能多的摆放搁板，搁板采用多层结构。放置货架时，留出货架宽度的位置，让机器人在移动货架时可以通过。
实现以下功能:(1)处理功能:仓库处理机器人应实现移动功能。(2)导航和定位(3)无线通信功能。(4)安全避障功能:要求机器人在行走过程中具有的功能。积极地回避障碍物。机器人遇到障碍物的话为了保障工作的安全会采取回避措施。(5)自主充电功能:搬运机器人消除了工作时间限制，提高了物流和货物运输的效率。自主充电技术的实现，可以有效提高机器人运输的效率。结合以上进货和物流功能要求，对国内外机器人特性进行了分析和总结，并提出了进货和装卸机器人的性能指标，见表2.1。
表2.1搬运机器人性能参数指标
类目 说明
底盘尺寸 长宽(0.5m0.5m)
本体重量 40kg
最大搬运重量 80kg
搬运方式 潜伏式
驱动方式 直流无刷电机
举升方式 电动推杆
最大移动速度 0.3m/s
额定工作电压 DC24V
通信方式 无线通信

2.2系统方案设计
2.2.1 系统总体组成结构
从上节的功能需求及其性能参数出发，对搬运机器人进行控制系统方案的设计，本文将控制系统分为以下六个子模块进行设计:
(1)电源及其管理模块。(2)主控制模块:是控制系统的“脑”，主要对各个模块起协调作用。主控制模块可以从每个模块接收反馈信息，进行有效的决策和流程，然后用它来控制相关的模块。(3)运动控制模块:MCU发送控制指令，接收后机器人可向指定位置移动。指令物体必须笔直行走或旋转。本文所研究的运动控制对象包括两个驱动轮的无刷控制。起吊机构直流电机控制和起吊电机控制。机器人在运动过程中要控制马达的速度和方向。(4)避障模块:用于机器人在运动过程中感知障碍物，防止机器人碰撞或损坏。在本论文中，当机器人遇到障碍物时，会执行相应的回避动作并进入休止等待状态。(5)导航定位模块。(6)无线通信模块。
2.2.2 导航定位方式选择
导航定位技术是需要解决的首要问题。目前主流搬运机器人导航方法主要包含以下6种:(1)电磁感应是先把感应电缆埋在地下，再将感应线圈安装在自导车辆上。优点:使用成熟技术，成本低，隐藏领先，不适合狭窄的保存环境。
(2)磁带导引是在路面上铺设磁条、磁钉来取代埋设在地下的金属线。磁带布置点简单，灵活变更或扩展路径，不受轻微变化影响;缺点:破坏仓库原有的车间环境。
(3)光学导引是在路面上铺设有色带等有色物质。用光学传感器带收集道路信息，提取识别的路线颜色偏差，从而完成AGV的引导。优点:你可以直接贴在表面上。使用灵活、配置反射光带方便、成本低、路线修改和维护方便;缺点:对丝带沾染和机械磨损非常敏感，因此该方法的可靠性低。污染反射波段会降低可靠性和准确性。它的反射带也会受到很大的光的影响。鉴于存储环境，机器人较多，且机器人频繁运动，图像处理效果不好，不能识别路径色差。
2.2.3 通信方式选择
在实际的物流仓库中，机器人操作环境就是大面积仓库，需要多台机器人一起处理工作。操作员使用仓库物流中心的终端发出指令，调度和控制每个机器人的加工任务。同时，机器人需要将相关的状态信息传送给上层计算机，因此通信模式是无线通信模式。无线通信方式主要包括ZigBee通信、Bluetooth通信和WiFi通信技术。
(1)zigbee。ZigBee是一个基于ieee802.15.4标准
(2)Bluetooth的LAN协议。蓝牙是一种适合本地数据传输的无线技术。
(3)WiFi。WiFi是一项非常适合传输中、远距离数据的无线技术。快速传播信息，涵盖范围更广。
2.3 搬运机器人机械结构概要设计
2.3.1 总体构造设计
操作机器人结构主要包括底盘结构，起吊机制和传感器。操控机器人本体的底盘机制主要是支持机器人整体结构的主要框架。在物流物流中心的装卸工作中，主要使用装卸机器人，因此，需加强压载结构的强度。用钢板做地板，可以提高机器人的刚性。外壳类似于保护机器人内部部分的皮肤。机器人的提升机制是机器人完成提升的核心部件。它携带的传感器保证了它的平稳运行。其结构如图2.1所示。

图2.1机器人结构示意图
2.3.2 驱动方式选择
现在机器人的主要行驶模式是两轮驱动和四轮驱动。这种模式成本较高，结构复杂，且相对难控制。非常适合在特殊环境下工作的机器人。所以采用两轮驱动模式。为了提高搬运机器人的承载能力，四个通用滚轮被选择来分担负载。
2.3.3 底盘传感器安装位置设计
搬运机器人底盘直径为49cm，除了驱动轮驱动马达外，机器人的底盘还装有导航定位模块传感器和安全避险模块。灰色跟踪传感器用于在地面上定位线。操纵机器人控制系统采用二重化系统，以提高机器人路径的准确性。二维码阅读器安装在机架中心的前端，可读取包含二维码信息的二维码标识，方便机器人定位。建设现场2楼前后段红外线传感器将被用作机器人防止碰撞的保护装置。
2.3.4 外壳设计
外壳是机器人的外壳，它可以保护机器人的内部装置。在白皮书中，我们使用SolidWorks软件设计了一个操作机器人的外壳模型。我们使用3D打印材料PLA打印机器人外壳，通过3D打印技术。
2.4 搬运机器人控制系统核心部件选型.
2.4.1 运动控制模块选型
电机选型。电机是机器人的执行部分，主要电机分为步进电机、交流伺服电机和直流电机三种。步进电机不需要反馈信号，控制结构简单，但难以实现高性能控制。交流伺服电机采用交流电源方式，不适合在现代物流环境中使用装卸机器人。选择无刷DC电机作为机器人运动的执行部分。直流无刷电机具有结构简单、反应速度快、控制模式简单、调速效果好等优点。
2.4.2 供电电池选型
目前AGV汽车使用的电池有铅蓄电池、镍港电池、凯恩电池三种。铅蓄电池以其价格低、制造方便的特点首次得到应用，广泛应用于电动自行车和大型AGV中。但它具有体积大、重量重、充电时间长等缺点，不适合用于机器人。镍锡电池充电速度很快，但重复使用会造成严重的“记忆效应”，不适合仓储和物流。近年来，文件电池现在广泛用于机器人和移动电话等移动设备的移动电源。与铅酸和镍锡电池相比，档案电池的体积小、能量密度高、充电方便、放电效果好、存储电量达10点以上。在相同体积下，它的存储容量是铅蓄电池和镍锡蓄电池的4倍。所以在本文中我们选择锂电池作为手控机器人的电源。按照使用电池的习惯，超出电池保护的20ahKeng锂电池可以充50%的
电，充电10分钟以上后电池就能完全充电。机器人主要消耗移动的电能。其中一个驱动马达是120W，这个机器人有两个DC马达。240W的马达。除了举升电机及主控板元件耗电量较低以外，估计最大耗电量约为270瓦。由于大多数部件都在24V的电压下工作，因此机器人的功耗很低，并且根据计算，工作中的AGV最大电流需求是11.25a。当机器人在满负荷工作一小时后，必须在充电点充电。
2.4.3 导航定位模块选型
以惯性导航为主导航模式，为提高导航精度并掌握机器人的位置信息，由于机器人在存储环境中经常移动，不宜使用射频卡等主要材料。就是用二维码位图像作为地标位置，二维码位信息由专门的二维码位读取器读取，以便实现机器人的位置。二维码表阅读器将处理后的数据传送给机器人控制系统，通过串联通信进行处理。
2.4.4 红外避障模块选型
选用红外光电传感器作为主动式避障装置。如果前方没有障碍物，发光体发出的红外线就不会被收集器接收。当其他搬运机器人或人员通过仓库物流时，光线被切断，红外光线会发生部分反射光。收集器收到光信号后输出一个开关信号，机器人通过一个嵌入式系统的控制信号立即停止工作。本文使用omron公司的e3z-d61红外光电传感器。工作电压12-24V，感知距离可达LM。因为机器人的移动路径是固定的，所以只在机器人前后安装传感器就可以了。为了提高机器人系统的可靠性，消除机器人的盲点，需要多对红外避障传感器。
2.4.5 无线通信模块选型
在实际移动过程中，搬运机器人应该由仓库管理中心进行控制。同时，它自己的信息会通过特定的协议传输到仓库管理中心。本文选择无线通信来实现机器人和主机之间的通信。zlan7142串口转换器工作电压为9-24V，传输速率支持1200-460800bps。有五种校验模式:None、奇校验、偶校验、Mark，Space格。
3 搬运机器人控制系统硬件设计与实现
3.1 引言
如图3-1所示，机械控制体和自动控制处理系统是实际工业过程机器人完整控制系统中必不可少的两个部分。
自动控制系统本身必须作为一种精神神经中枢和大脑来操作机器人，并要求其具有操作能力，以便通过操作来完成各种实际操作工序和现场工作的所有物理动作。根据操作员的操作程序，自动控制手控机器人的各种身体动作。无论是否先进，都直接决定着操作机器人的控制技术和工作性能，以及其应用水平。智能型启动。传感器和运动处理控制系统的应用可能是多种多样的，motion状态控制无论处理手段丰富还是不然motion人类-互动技术好的电脑控制能力是否可以有效地制作出操作简单安全,无论是不是可以信赖的不管是不是非常智能的实时是否可以使用是否有效的开放性和这样的问题我们一般使用的有可能是大错,大型卡车或这有助于判断机器人的运动控制和处理系统好、坏、或系统性能好或不好。