快件搬运机器人举升结构运动平稳性探究.docx

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快件搬运机器人举升结构运动平稳性探究随着电商时代的到来，物流中心的快件量激增，传统的人力搬运模式已不能满足生产力的需要，现代化物流快件搬运机器人技术研究成为了热点问题[1,2]。快件搬运机器人举升结构中的步进电机通过正反转的方式控制该机器人载件与卸件，其运动平稳性尤为重要。步进电机频繁正反转启动，升降速越平稳越能减轻对机器本身的冲击，又能有效防止该机器人的侧翻[3,4]。步进电机的升降速方式一般可分为直线型、J型和S型，仪慧铃等提出一种控制函数将七段S型加减速曲线简化为五段，但频率离散点均匀采样的方式在步进电机实际运转时存在偏差[5,6]。针对频率离散点采样偏差的问题，本文先将频率控制曲线分为高低两个频段，再在每个频段选取能被各自基准时钟频率整除的非均匀频率离散点。本文在简化的五段S型步进电机加减速曲线基础上，对频率离散点的采样方法作出改进，减小采样点的偏差，从而提高快件搬运机器人举升结构运动平稳性。最后，通过仿实验对其有效性进行验证。1、快件搬运机器人及举升结构模型图1为快件搬运机器人模型三维图，基本结构主要分为驱动结构和举升结构两个部分。其中，上方的举升结构主要由定位特性好的步进电机、电动缸和支撑推杆三个组件。图2为举升结构组件图，该组件下端固定在快件搬运机器人底部的车架上且支撑杆的上端与翻转托板接触。当该机器人载着快件到达目标位置后，步进电机正反转带动电动缸转动，电动缸再通过曲柄滑块的方式带动支撑杆上下滑动以使支撑杆带动托盘由水平状态往竖直方向翻转完成卸货并自动回到水平状态。图1快件搬运机器人的三维模型图2举升结构组件图2、步进电机转速控制2.1步进电机转速控制分析图3为快件搬运机器人步进电机的控制系统框图，其工作原理是：步进电机的速度反馈经编码器进行A/D转换，通过STM32的高速脉冲计数器计数及上位机的操作后，再经STM32的模拟量模块进行D/A转换，最后输出的模拟电压或电流通过改变变频器的频率从而控制步进电机的转速，且变频器的输出频率与步进电机转速成正比关系。图3步进电机的控制系统框图步进电机加减速曲线根据形状一般可以分为梯型、指数型和S型三类。图4、图5和图6分别为直线加减速曲线图、指数加减速曲线图和S型加减速曲线图。梯型和指数型在加减速起点或终点会发生速度的突变从而对运动件产生冲击，有时也会发生失步或过冲。现在普遍采用S型避免造成速度上的突变，但是其控制过程复杂，大多都是七段式。图4直线加减速曲线图图5指数加减速曲线图图6S型加减速曲线图近几年提出了一种简化的五段S型，即先做加速度不断增大的加速运动再接着做加速度不断减小的加速运动，中间一段做匀速运动，然后做加速度不断增大的减速运动再接着做加速度不断减小的减速运动，其加速阶段（减速阶段和加速阶段关于匀速阶段的垂直平分线对称）频率-时间控制函数如下：k、b、d、c均为常量：k为增益量，上图取10000，是该曲线所无限接近的频率值；b为曲线倾斜参数，可以控制该曲线的升降快慢；d为时间倍数即扩大或缩小时间，上图取10;c为偏移量，上图取10。b为曲线倾斜参数，其值决定了该曲线的升降快慢。对于不同的参数b值得到的曲线如图7所示。图7不同参数b得到的曲线对于上图频率-时间变化曲线，STM32控制步进电机真实输出受到功能限制，一般取该曲线上的若干均匀分布的离散点来近似替代，离散点越多就越精确，同时占用的内存也就越多。又由于STM32的基准时钟频率为72MHz，最大计数值为65535，故可输出最小频率1/[65535*(1/72)]≈1.1kHz。而步进电机的起动频率一般远低于这个频率，所以对基准时钟频率进行72分频的处理。当基准时钟频率为1MHz时，同理可得最小可输出频率约为0.02kHz，明显满足要求。2.2频率离散点采样分析及改进关于选取上述五段S型加减速曲线上具体的均匀分布的频率离散点时，一般是将其均匀离散为N个点，设最高频率离散点和最低频率离散点分别为Pm和P0，则有式（2):可知上式Pm为10kHz,P0一般为70HZ,N可取30。取第一个频率离散点为70Hz时，72分频后基准时钟频率为1MHz，故该点计数值为（1/70）/（1/1000000）≈14285.7。又由于计数值是整型值，STM32会直接取14285，这时实际输出频率与目标频率会有一个小误差，下一个相邻频率离散点为401HZ，依然存在类似误差。由此下去，多次频率离散点采样累积的误差会使输出曲线与原设计曲线有较大的偏离。本文针对频率离散点均匀采样的缺点，发现选取能够被基准时钟频率整除的频率离散点即可避免此类误差，然而在高频阶段，只有少数几个点能满足要求，频率离散点过少的话会使输出曲线失真。因此，本文提出的方案是：在频率低于6kHz时的频段以基准时钟频率为1MHz即72分频运行STM32；超过6kHz时的频段以原始基准时钟频率为72MHz运行STM32。这种多频段非均匀频率离散点采样方案不仅满足步进电机起动时的低频要求，而且低频和高频阶段都能够精确地采取足够的频率离散点。另外，最高频率可以被高频段基准时钟频率整除，步进电机便可基本无误差地达到最高频率。3、步进电机实验测试本实验准备了一台42步进电机，其步进角为1.8º，按照2.2小节提出的步进电机转速控制改进方案由STM32控制试行，图8和图9分别显示了改进前和改进后步进电机在所有频率离散点上运转的实际阶梯曲线和原函数曲线对比结果。可以明显看到：相比于改进前步进电机运转的实际阶梯曲线和原函数对比结果，改进后两者的拟合度更高。图8步进电机改进前测试图图9步进电机改进后测试图4、结论本文对快件搬运机器人举升结构的运动控制技术进行分析与改进，在简化的五段S型步进电机加减速曲线基础上，将频率-时间曲线分为高低两个频段，再在每个频段选取能被各自基准时钟频率整除的非均匀频率离散点。实验证明，本文作出的改进有效地减小了采样点的偏差，从而提高了快件搬运机器人举升结构运动平稳性。更进一步地讲，该方案在快件搬运机器人运动过程中，不仅减轻了对机器本身的冲击，又能有效防止该机器人的侧翻。参考文献：[1]陈宏勋,张翔.物流技术与装备[M].北京:国防工业出版社,2005:26-27.[2]张文利,周友良.我国智能制造装备产业发展的调控策略[J].经济纵横,2016,26(12):87-90.[3]周建浩.用于物流中心的快件自动分拣机器人的研究[D].华北理工大学,2018.[4]王鸿钰.步进电机控制技术入门[M].上海:同济大学出版社,1990.[5]仪慧玲,张仁杰.基于STM32的步进电机S曲线加减速算法的优化[J].信息技术,2015(3):178-181.[6]王竞琪.基于速度给定曲线的步进电机控制技术研究[D].湖北工业大学,2019.张洪涛,田星星.快件搬运机器人举升运动控制方法研究[J].轻工科技,2020,36(12):44-46.基金:武汉市科技局“十城千辆新动力汽车计划”项目(2013011801010600).