碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)探討范文
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摘要：主要以直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人為研究對(duì)象，以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃作為主要研究目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)軟硬件研究與設(shè)計(jì)。首先對(duì)碼垛機(jī)器人進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制要求，對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次基于蟻群算法和遺傳算法對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃研究，得到直角坐標(biāo)機(jī)器人碼垛工作的最優(yōu)路徑規(guī)劃，選用西門子S7－0PLC為主控制器，完成了控制系統(tǒng)的硬件配置、程序設(shè)計(jì)及運(yùn)行仿真；最后基于以太網(wǎng)調(diào)試分析，多次實(shí)驗(yàn)完成對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人；軌跡規(guī)劃；遺傳算法；PLC；硬件配置
工業(yè)碼垛機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它替代了傳統(tǒng)的人力勞動(dòng)，在生產(chǎn)線的中下游將上游運(yùn)輸來(lái)的成品或者原料進(jìn)行規(guī)律碼放，在節(jié)省人力和物力的同時(shí)，由于機(jī)器人作業(yè)的精準(zhǔn)程度更高，避免了因?yàn)楣ぷ魇д`生產(chǎn)出大量的殘次品，大大減少了生產(chǎn)的成本，提高企業(yè)效益。但是隨著企業(yè)生產(chǎn)柔性化定制的要求，產(chǎn)品存在多樣性、位置不固定性，這就對(duì)碼垛機(jī)器人的抓取過(guò)程、運(yùn)動(dòng)軌跡、碼放過(guò)程提出了更高的要求，經(jīng)過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人不僅能夠完成簡(jiǎn)單的碼垛工作，還能夠進(jìn)行柜中取物、精細(xì)焊接等精密操作。此前的技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，因此設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性強(qiáng)、能夠滿足多種工作環(huán)境的控制系統(tǒng)是近年來(lái)碼垛機(jī)器人發(fā)展的重要核心。本文根據(jù)上述需求，在總結(jié)了現(xiàn)有的碼垛機(jī)器人的不足之處后，基于PC的聯(lián)機(jī)式視覺(jué)系統(tǒng)、嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和“基于遺傳算法的路徑規(guī)劃”，設(shè)計(jì)出具有自動(dòng)完成抓取物體的位姿和形狀識(shí)別的視覺(jué)定位，自主規(guī)劃出路徑擬合精度高、運(yùn)行效率高和穩(wěn)定性高的工業(yè)碼垛機(jī)器人。
1碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析
本文設(shè)計(jì)為小型直角坐標(biāo)碼垛示教機(jī)器人，采用直線滑臺(tái)模組進(jìn)行組裝，分別為X軸、Y軸、Z軸，旨在其自動(dòng)拍照識(shí)別物品后，經(jīng)過(guò)視覺(jué)處理器輸出一定的反饋信號(hào)，使機(jī)器人進(jìn)行自主的路徑軌跡規(guī)劃，對(duì)物品進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取、碼放工作。其機(jī)構(gòu)主要包括：機(jī)器人框架、相機(jī)、視覺(jué)處理器、PLC控制器、伺服電機(jī)、HMI人機(jī)交互儀。碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)為直角坐標(biāo)機(jī)器人，機(jī)器人的大小為：長(zhǎng)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(jìn)行碼垛工作前，分別給直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人X、Y、Z三軸以mm／s、mm／s、0mm／s的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)建模的模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，保證建立模型的準(zhǔn)確性。其中Y軸固定在機(jī)器人的基座架上，綜合分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中X軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)。建立的直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，其中X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間和線性位移、速度、加速度及質(zhì)量中心之間的關(guān)系如圖2～圖5所示。通過(guò)對(duì)直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)分析，了解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)位移、速度、零部件之間的干涉等問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，為零件的強(qiáng)度、剛度等性能進(jìn)行優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，使該模型更符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃提供
2硬件系統(tǒng)總體方案
碼垛機(jī)器人的工作過(guò)程如下：當(dāng)HMI人機(jī)交互儀器打開(kāi)時(shí)，通過(guò)示教儀器完成點(diǎn)動(dòng)、物品抓取的指令的發(fā)出，發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和脈沖信號(hào)接收設(shè)備的處理，控制圖片采集設(shè)備進(jìn)行圖片采集工作，圖片上傳到視覺(jué)處理設(shè)備，然后經(jīng)過(guò)視覺(jué)處理設(shè)備完成自動(dòng)的產(chǎn)品識(shí)別，產(chǎn)生反饋到主控制設(shè)備，主控制設(shè)備在收到反饋后通過(guò)一定的算法對(duì)碼放運(yùn)動(dòng)的軌跡自主進(jìn)行最快、最平穩(wěn)的路徑規(guī)劃，然后向碼垛機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器下達(dá)指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器進(jìn)行工作，使碼垛機(jī)器人準(zhǔn)確的抓取目標(biāo)物，根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃的路徑軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將目標(biāo)物準(zhǔn)確的碼放到指定的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)碼垛機(jī)器人的工作要求，進(jìn)行機(jī)器人各個(gè)硬件控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理框圖如圖6所示，包含主控器模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、視覺(jué)處理模塊及運(yùn)動(dòng)模塊等幾部分。
3電源模塊
電源供給系統(tǒng)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中是不可或缺的動(dòng)力設(shè)備。根據(jù)我國(guó)常用電器設(shè)備電壓標(biāo)準(zhǔn)，使用V電壓作為設(shè)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(jī)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(hào)的空氣開(kāi)關(guān)作為控制電源電壓供給的開(kāi)關(guān)，其使用時(shí)安全系數(shù)高，在某處線路發(fā)生故障或者操作失誤時(shí)能夠自主斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，保證其他線路和設(shè)備的安全。使用EDR－75－24明緯75W24V作為電源供應(yīng)器。
4驅(qū)動(dòng)電機(jī)
直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求方面需要傳動(dòng)系統(tǒng)之間的間隙小、剛度大不易變形、運(yùn)動(dòng)時(shí)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(wěn)、快速、準(zhǔn)確地碼放到指定的區(qū)域，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)的靈活性要求很高，所以綜合考慮選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式使碼垛機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。選取交流伺服電機(jī)作為碼垛機(jī)器人的的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。考慮成本，選用西門子SIMATICV0伺服驅(qū)動(dòng)為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，可以整合脈沖量、模擬量、數(shù)字量，自動(dòng)優(yōu)化出高動(dòng)態(tài)性能和平滑運(yùn)行的系統(tǒng)。選用SIMOTICSS－1FL6作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候支持3倍過(guò)載，在實(shí)際工作的時(shí)候，依據(jù)工作的情況選配增量式或絕對(duì)值編碼器。SIMATICV0支持即插即用方式的的調(diào)試，可以和MIMATICPLC快速集成，可靠性比較高，和SIMOTICSS－1FL6電機(jī)配套使用構(gòu)成最佳的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。碼垛機(jī)器人要能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)小，在指令進(jìn)行轉(zhuǎn)變時(shí)能夠快速轉(zhuǎn)變到下一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)傳動(dòng)過(guò)程的的軌跡運(yùn)動(dòng)、物品碼放的精度要求很高，碼垛機(jī)器人選用行星齒輪減速器。
5圖片采集設(shè)備
視覺(jué)處理器利用機(jī)器代替人眼對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，用以提高工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，在一些人工不能長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行生產(chǎn)或監(jiān)控作業(yè)，提高了工業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)的效率。采用海康MV－VB22－G視覺(jué)處理器，它的處理器為IntelE35處理器，性能穩(wěn)定、信息處理快速，適合用于機(jī)器人的信息快速處理。
6路徑規(guī)劃研究
直角坐標(biāo)機(jī)器人是三軸機(jī)器人，夾取裝置采用空氣吸盤裝置，X、Y、Z三個(gè)軸控制X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其中X、Y軸的運(yùn)動(dòng)完成對(duì)產(chǎn)品位置的定位，Z軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)時(shí)完成對(duì)產(chǎn)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(guò)程中在行走路線上會(huì)不斷地釋放信息素進(jìn)行路線的標(biāo)記，其他螞蟻接收到信息后會(huì)按照傳播信息的路徑繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。如圖7、圖8所示，基于蟻群算法的路徑規(guī)劃，可使碼垛機(jī)器人在存在障礙物的環(huán)境下進(jìn)行工作時(shí)，以較少時(shí)間和較少的信息更新下完成對(duì)路徑的最優(yōu)規(guī)劃。遺傳算法對(duì)路徑規(guī)劃的基本原理是對(duì)種群初始化、適應(yīng)度函數(shù)、選擇算子、交叉算子、變異算子的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)調(diào)整后的優(yōu)秀算法再次進(jìn)行融合優(yōu)化。如圖、所示，通過(guò)分析遺傳算法x坐標(biāo)的柵格圖和路徑長(zhǎng)度變化軌跡圖，采用遺傳算法可以實(shí)現(xiàn)碼垛作業(yè)的平穩(wěn)、快速及高效性。通過(guò)對(duì)以上兩種規(guī)劃算法的分析比較，選用基于遺傳算法的路徑規(guī)劃對(duì)碼垛機(jī)器人工作的軌跡路徑進(jìn)行規(guī)劃，運(yùn)行時(shí)對(duì)工作區(qū)域的劃分和運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，更加適用于本課題設(shè)計(jì)的直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人。
7控制系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)
碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)從設(shè)備網(wǎng)絡(luò)流程設(shè)計(jì)方面主要包括HMI、PLC和分別控制X、Y、Z軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)組成，HMI下達(dá)工作指令，當(dāng)指令信息傳輸?shù)絇LC控制器時(shí)，控制系統(tǒng)程序響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)程序模塊的運(yùn)行，碼垛機(jī)器人的X、Y、Z三軸開(kāi)始進(jìn)行工作。如圖11所示：當(dāng)HMI下達(dá)工作指令時(shí)，HMI映射程序模塊運(yùn)行，控制系統(tǒng)的主程序模塊運(yùn)行對(duì)工作指令進(jìn)行分析，如果指令輸入違反程序設(shè)定，報(bào)警程序模塊啟動(dòng)，HMI界面報(bào)警燈閃爍，通過(guò)HMI界面進(jìn)行下達(dá)故障復(fù)位指令對(duì)程序工作進(jìn)行重新設(shè)定；如果主程序模塊分析工作指令沒(méi)有錯(cuò)誤，運(yùn)行圖片采集設(shè)備程序模塊，下達(dá)圖片信息采集指令，攝像機(jī)進(jìn)行拍照工作；運(yùn)行方塊位置坐標(biāo)程序模塊、分顏色坐標(biāo)程序模塊、廢棄程序模塊，對(duì)碼垛環(huán)境進(jìn)行區(qū)域劃分；然后運(yùn)行輸入／輸出映射程序模塊，將對(duì)碼垛區(qū)域的劃分映射到主程序模塊和零點(diǎn)設(shè)置程序模塊；運(yùn)行零點(diǎn)設(shè)置程序模塊，對(duì)工作坐標(biāo)零點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定；運(yùn)行使能程序模塊和速度參數(shù)程序模塊，對(duì)碼垛機(jī)器人進(jìn)行供能和速度調(diào)節(jié)；依據(jù)輸入的指令主程序選擇運(yùn)行手動(dòng)控制程序模塊／自動(dòng)控制程序模塊；X、Y、Z的數(shù)據(jù)處理程序模塊運(yùn)行，使碼垛機(jī)器人進(jìn)行工作；運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行程序幅度控制程序模塊，對(duì)自動(dòng)控制運(yùn)行下的參數(shù)變化幅度進(jìn)行限制；運(yùn)行數(shù)據(jù)變量監(jiān)控模塊、HMI變量監(jiān)控模塊監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況。
8結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析、軌跡規(guī)劃研究及優(yōu)化，本文設(shè)計(jì)了碼垛機(jī)器人的控制硬件系統(tǒng)，完成程序編寫，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、快速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別產(chǎn)品并進(jìn)行合理的路徑規(guī)劃，將產(chǎn)品抓取碼放到一定的區(qū)域。
作者：李永梅 劉金剛 馬鎰明 單位：東南大學(xué)成賢學(xué)院