碼垛機器人控制系統探討范文

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摘要：主要以直角坐標碼垛機器人為研究對象，以機器人運動軌跡規劃作為主要研究目標，實現碼垛機器人的控制系統軟硬件研究與設計。首先對碼垛機器人進行建模和運動分析，根據機器人的運動控制要求，對硬件系統進行設計；其次基于蟻群算法和遺傳算法對機器人的運動軌跡規劃研究，得到直角坐標機器人碼垛工作的最優路徑規劃，選用西門子S7－0PLC為主控制器，完成了控制系統的硬件配置、程序設計及運行仿真；最后基于以太網調試分析，多次實驗完成對所設計的控制系統的驗證。

關鍵詞：碼垛機器人；軌跡規劃；遺傳算法；PLC；硬件配置

工業碼垛機器人在生產中的應用越來越廣泛，它替代了傳統的人力勞動，在生產線的中下游將上游運輸來的成品或者原料進行規律碼放，在節省人力和物力的同時，由于機器人作業的精準程度更高，避免了因為工作失誤生產出大量的殘次品，大大減少了生產的成本，提高企業效益。但是隨著企業生產柔性化定制的要求，產品存在多樣性、位置不固定性，這就對碼垛機器人的抓取過程、運動軌跡、碼放過程提出了更高的要求，經過模塊化設計的碼垛機器人不僅能夠完成簡單的碼垛工作，還能夠進行柜中取物、精細焊接等精密操作。此前的技術已經不能夠滿足工業生產的需要，因此設計一種適應性強、能夠滿足多種工作環境的控制系統是近年來碼垛機器人發展的重要核心。本文根據上述需求，在總結了現有的碼垛機器人的不足之處后，基于PC的聯機式視覺系統、嵌入式機器視覺系統的機器視覺技術和“基于遺傳算法的路徑規劃”，設計出具有自動完成抓取物體的位姿和形狀識別的視覺定位，自主規劃出路徑擬合精度高、運行效率高和穩定性高的工業碼垛機器人。

1碼垛機器人結構及運動分析

本文設計為小型直角坐標碼垛示教機器人，采用直線滑臺模組進行組裝，分別為X軸、Y軸、Z軸，旨在其自動拍照識別物品后，經過視覺處理器輸出一定的反饋信號，使機器人進行自主的路徑軌跡規劃，對物品進行準確的抓取、碼放工作。其機構主要包括：機器人框架、相機、視覺處理器、PLC控制器、伺服電機、HMI人機交互儀。碼垛機器人機械結構為直角坐標機器人，機器人的大小為：長10mm，寬0mm，高0mm。有效行程：X軸0mm，Y軸行程8mm，Z軸行程6mm。如圖1所示。在進行碼垛工作前，分別給直角坐標碼垛機器人X、Y、Z三軸以mm／s、mm／s、0mm／s的速度進行運動，對建模的模型的運動狀態進行分析，保證建立模型的準確性。其中Y軸固定在機器人的基座架上，綜合分析運動過程中X軸、Z軸的運動。建立的直角坐標碼垛機器人在進行仿真運動分析時，其中X軸運動時間和線性位移、速度、加速度及質量中心之間的關系如圖2～圖5所示。通過對直角坐標碼垛機器人模型的運動分析，了解機器人運動時位移、速度、零部件之間的干涉等問題，通過數據之間的關系，為零件的強度、剛度等性能進行優化提供理論基礎，使該模型更符合設計要求，對機器人運動軌跡規劃提供

2硬件系統總體方案

碼垛機器人的工作過程如下：當HMI人機交互儀器打開時，通過示教儀器完成點動、物品抓取的指令的發出，發出的運動指令通過驅動電機和脈沖信號接收設備的處理，控制圖片采集設備進行圖片采集工作，圖片上傳到視覺處理設備，然后經過視覺處理設備完成自動的產品識別，產生反饋到主控制設備，主控制設備在收到反饋后通過一定的算法對碼放運動的軌跡自主進行最快、最平穩的路徑規劃，然后向碼垛機器人的驅動電機和減速器下達指令，驅動電機和減速器進行工作，使碼垛機器人準確的抓取目標物，根據已經規劃的路徑軌跡進行運動，將目標物準確的碼放到指定的區域內。根據碼垛機器人的工作要求，進行機器人各個硬件控制系統總體設計，設計原理框圖如圖6所示，包含主控器模塊、電源模塊、人機交互模塊、視覺處理模塊及運動模塊等幾部分。

3電源模塊

電源供給系統在機器人運動機構中是不可或缺的動力設備。根據我國常用電器設備電壓標準，使用V電壓作為設備的額定電壓，常用供電方式有三相四線制供電和單相制供電兩種。本文研究的直角碼垛機器人選用單相制DC24供電，選擇使用施耐德ICN系列中的CA型號的空氣開關作為控制電源電壓供給的開關，其使用時安全系數高，在某處線路發生故障或者操作失誤時能夠自主斷開電源開關，保證其他線路和設備的安全。使用EDR－75－24明緯75W24V作為電源供應器。

4驅動電機

直角坐標碼垛機器人在驅動系統的要求方面需要傳動系統之間的間隙小、剛度大不易變形、運動時輸出軸的扭矩高以及減速比大，并且要能夠使碼放的物品能夠平穩、快速、準確地碼放到指定的區域，對運動過程的穩定性和運動的靈活性要求很高，所以綜合考慮選用電機驅動的方式使碼垛機器人進行運動。選取交流伺服電機作為碼垛機器人的的驅動電機。考慮成本，選用西門子SIMATICV0伺服驅動為電機的驅動控制裝置，可以整合脈沖量、模擬量、數字量，自動優化出高動態性能和平滑運行的系統。選用SIMOTICSS－1FL6作為驅動電機，該電機進行運動的時候支持3倍過載，在實際工作的時候，依據工作的情況選配增量式或絕對值編碼器。SIMATICV0支持即插即用方式的的調試，可以和MIMATICPLC快速集成，可靠性比較高，和SIMOTICSS－1FL6電機配套使用構成最佳的伺服驅動系統。碼垛機器人要能夠在運動過程中的波動小，在指令進行轉變時能夠快速轉變到下一個運動狀態，對傳動過程的的軌跡運動、物品碼放的精度要求很高，碼垛機器人選用行星齒輪減速器。

5圖片采集設備

視覺處理器利用機器代替人眼對收集的數據信息進行分析，用以提高工業自動化生產的柔性和自動化程度，在一些人工不能長時間觀測的區域進行生產或監控作業，提高了工業生產、維護的效率。采用?？礛V－VB22－G視覺處理器，它的處理器為IntelE35處理器，性能穩定、信息處理快速，適合用于機器人的信息快速處理。

6路徑規劃研究

直角坐標機器人是三軸機器人，夾取裝置采用空氣吸盤裝置，X、Y、Z三個軸控制X、Y、Z三個方向的運動，其中X、Y軸的運動完成對產品位置的定位，Z軸進行上下運動時完成對產品的吸附抓取工作。蟻群算法是基于自然界中螞蟻相互間信息的傳遞，螞蟻在尋找食物的過程中在行走路線上會不斷地釋放信息素進行路線的標記，其他螞蟻接收到信息后會按照傳播信息的路徑繼續運動。如圖7、圖8所示，基于蟻群算法的路徑規劃，可使碼垛機器人在存在障礙物的環境下進行工作時，以較少時間和較少的信息更新下完成對路徑的最優規劃。遺傳算法對路徑規劃的基本原理是對種群初始化、適應度函數、選擇算子、交叉算子、變異算子的計算方法進行優化，并且對調整后的優秀算法再次進行融合優化。如圖、所示，通過分析遺傳算法x坐標的柵格圖和路徑長度變化軌跡圖，采用遺傳算法可以實現碼垛作業的平穩、快速及高效性。通過對以上兩種規劃算法的分析比較，選用基于遺傳算法的路徑規劃對碼垛機器人工作的軌跡路徑進行規劃，運行時對工作區域的劃分和運動軌跡的規劃，更加適用于本課題設計的直角坐標碼垛機器人。

7控制系統總體程序設計

碼垛機器人控制系統從設備網絡流程設計方面主要包括HMI、PLC和分別控制X、Y、Z軸進行運動的伺服電機組成，HMI下達工作指令，當指令信息傳輸到PLC控制器時，控制系統程序響應進行相應程序模塊的運行，碼垛機器人的X、Y、Z三軸開始進行工作。如圖11所示：當HMI下達工作指令時，HMI映射程序模塊運行，控制系統的主程序模塊運行對工作指令進行分析，如果指令輸入違反程序設定，報警程序模塊啟動，HMI界面報警燈閃爍，通過HMI界面進行下達故障復位指令對程序工作進行重新設定；如果主程序模塊分析工作指令沒有錯誤，運行圖片采集設備程序模塊，下達圖片信息采集指令，攝像機進行拍照工作；運行方塊位置坐標程序模塊、分顏色坐標程序模塊、廢棄程序模塊，對碼垛環境進行區域劃分；然后運行輸入／輸出映射程序模塊，將對碼垛區域的劃分映射到主程序模塊和零點設置程序模塊；運行零點設置程序模塊，對工作坐標零點進行設定；運行使能程序模塊和速度參數程序模塊，對碼垛機器人進行供能和速度調節；依據輸入的指令主程序選擇運行手動控制程序模塊／自動控制程序模塊；X、Y、Z的數據處理程序模塊運行，使碼垛機器人進行工作；運行自動運行程序幅度控制程序模塊，對自動控制運行下的參數變化幅度進行限制；運行數據變量監控模塊、HMI變量監控模塊監控機器人的運動狀況。

8結束語

通過對碼垛機器人的運動分析、軌跡規劃研究及優化，本文設計了碼垛機器人的控制硬件系統，完成程序編寫，使機器人能夠實現平穩、快速運行，實現自主識別產品并進行合理的路徑規劃，將產品抓取碼放到一定的區域。

作者：李永梅 劉金剛 馬鎰明 單位：東南大學成賢學院