09-10四自由度碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)VIP

四自由度碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、四自由度碼垛機(jī)器人簡介隨著科技工業(yè)自動化的發(fā)展,很多輕工業(yè)都相繼通過自動化流水線作業(yè).尤其是食品工廠,后道包裝機(jī)械作業(yè)使用一些成套設(shè)備不僅效率提高幾十倍,生產(chǎn)成本也降低了。其中四自由度碼垛機(jī)器人每天自動對1000箱食品進(jìn)行托盤處理，這些碼垛機(jī)器人夜以繼日地工作，從不要求增加工資。碼垛機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣。碼垛機(jī)器人配備有特殊定制設(shè)計(jì)的多功能抓取器，不管包裝箱尺寸或重量如何，機(jī)器人都可以使用真空吸盤牢固地夾持和傳送包裝箱。如圖1所示，四自由度碼垛機(jī)器人本體由腰部、大臂、小臂、腕部組成。腰部大臂小臂腕部圖1 碼垛機(jī)器人簡圖如圖2所示，碼垛機(jī)器人具有獨(dú)特的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其保證了手部在水平與垂直方向的平行移動。無耦合垂直線性運(yùn)動 無耦合水平線性運(yùn)動圖2 碼垛機(jī)器人的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖此四自由度碼垛機(jī)器人的應(yīng)用案例如圖3所示。具有示教作業(yè)簡單,現(xiàn)場操作簡便。只需對抓取點(diǎn)與放置點(diǎn)進(jìn)行示教,最優(yōu)軌跡規(guī)劃自動由控制器生成。圖3 碼垛機(jī)器人的應(yīng)用案例二、四自由度碼垛機(jī)器人控制要求及其控制方案1、控制要求如圖1所示，四自由度碼垛機(jī)器人的運(yùn)動主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)。在此均采用松下A5伺服電機(jī)；抓取部件等其他輔助運(yùn)動采用氣動，由電磁閥動作來控制抓取部件的動作。四自由度碼垛機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要包括感知部分、硬件部分和軟件部分，其運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是要控制此機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)和軌跡以及作業(yè)流程等。此外，還要求：1）防碰撞檢測和在線編程控制,可以進(jìn)行離線仿真；2）人機(jī)界面友善、高度可靠作性和安全性；3）便攜式觸摸屏示教器、全中文界面；4）利用使能開關(guān)雙電路設(shè)計(jì)使在緊急狀態(tài)下自動切斷伺服動作，從而保證安全。2、控制方案控制方案1：基于PLC的運(yùn)動控制方案基于PLC的機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，一般利用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。在觸摸屏上的人機(jī)界面，由組態(tài)軟件編寫人機(jī)操作界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；PLC則通過I/O模塊與碼垛機(jī)器人以及現(xiàn)場設(shè)備通信并實(shí)現(xiàn)控制，通過接受PLC的控制命令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人及其周邊、物流設(shè)備的啟停與協(xié)調(diào)，同時將碼垛機(jī)器人及其周邊、物流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)返回給PLC?？刂品桨?：基于嵌入式PC的運(yùn)動控制方案基于嵌入式PC的運(yùn)動控制模式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化，同時又兼具開放性,可通過調(diào)用驅(qū)動器的基本功能函數(shù)在嵌入式PC上編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的復(fù)雜控制算法。圖中運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的基本控制,包括插補(bǔ),控制加減速等。嵌入式PC主要完成對運(yùn)動控制器的控制,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制算法和人機(jī)界面。碼垛機(jī)器人軸數(shù)：4軸（即4個伺服電機(jī)，分別是3個750W，型號MSMJ082G1U，一個400w，型號MSMJ042G1U）伺服系統(tǒng)選擇日本松下A5系列電機(jī)和配套驅(qū)動器。工控機(jī)選用工業(yè)以太網(wǎng)口嵌入式工控機(jī)?？刂栖浖到y(tǒng)整體需求：首先需要實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人在運(yùn)動空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié),單電機(jī)驅(qū)動,也就是能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)空間的單軸運(yùn)動；同時還需要實(shí)現(xiàn)在笛卡爾坐標(biāo)系中X軸、Y軸和Z軸的單軸運(yùn)動。這些基本的運(yùn)動能作為示教編程的基礎(chǔ)。然后需要實(shí)現(xiàn)示教編程功能,要實(shí)現(xiàn)示教編程,需要保存機(jī)器人的當(dāng)前位置狀態(tài)信息,利用機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程及軌跡規(guī)劃算法來實(shí)現(xiàn)空間直線和空間圓弧的運(yùn)動。最后要實(shí)現(xiàn)離線編程功能,則需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用計(jì)算機(jī)來模擬真實(shí)的機(jī)器人和工作環(huán)境。通過對虛擬機(jī)器人的控制和編程來實(shí)現(xiàn)離線編程的功能。軟件應(yīng)包含的功能：按面向?qū)ο蟮念愡M(jìn)行功能規(guī)劃與設(shè)計(jì)功能1:設(shè)計(jì)軸類，能夠?qū)崿F(xiàn)對碼垛機(jī)器人單軸的控制；通過軸類能夠設(shè)置和讀取運(yùn)動控制卡中的針對各軸的參數(shù)；通過軸類維護(hù)一個軸類的參數(shù)和位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；通過軸類可以將其內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)讀出；通過軸類可以實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動。功能2:設(shè)計(jì)正逆運(yùn)動學(xué)算法類,能夠隨時調(diào)用,通過正逆運(yùn)動學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)求解；通過正逆運(yùn)動學(xué)算法類維護(hù)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動范圍；通過正逆運(yùn)動學(xué)算法類維護(hù)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以接受外界傳入的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系位置值和笛卡爾坐標(biāo)系位置值；通過正逆運(yùn)動學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)正運(yùn)動學(xué)計(jì)算并返回運(yùn)算結(jié)果；通過正逆運(yùn)動學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算并返回運(yùn)算結(jié)果。功能3:設(shè)計(jì)機(jī)器人類,在機(jī)器人類添加4個軸類分別代表不同的軸,同時還添加正逆運(yùn)動學(xué)算法類。通過機(jī)器人類實(shí)現(xiàn)將笛卡爾坐標(biāo)系中的位置值轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間的位置值,并傳入軸類的PT運(yùn)動緩存器（PT模式是固高運(yùn)動卡中內(nèi)置的一種運(yùn)動模式，可以實(shí)現(xiàn)任意的速度曲線控制；另一含義：PT可編程終端）。通過機(jī)器人類維護(hù)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來指示機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)；通過機(jī)器人類啟動機(jī)器人運(yùn)動PT緩存中的軌跡。功能4:實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)讀取,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,維護(hù)一個描述機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。(1)機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)是指,各關(guān)節(jié)的運(yùn)行位移,速度,加速度,各軸的運(yùn)行位移,速度,加速度,執(zhí)行點(diǎn)的運(yùn)行位移,速度,加速度,電機(jī)編碼器的位移,速度,加速度。實(shí)現(xiàn):讀取控制器的運(yùn)動數(shù)據(jù),通過讀取的數(shù)據(jù)參數(shù)、通過機(jī)器人的運(yùn)動和結(jié)構(gòu)算法求出其他數(shù)據(jù)。作用:用于參數(shù)顯示,用于繪制圖形,用于控制虛擬模型。(2)通過以上說明,可以設(shè)計(jì)一個類,維護(hù)一個機(jī)器人的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)顯示,可以整體調(diào)用。功能5:可以設(shè)置機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)、運(yùn)動控制器參數(shù)和其他輔助參數(shù)。同時可以顯示機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)參數(shù),系統(tǒng)參數(shù)和已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)。說明:(1)由于機(jī)器人和運(yùn)動控制器都有多種不同的組合形式,需要設(shè)置不同的參數(shù),來達(dá)到某種配置形式。(2)維護(hù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù),機(jī)器人運(yùn)動參數(shù),運(yùn)動控制器參數(shù),他輔助參數(shù)等多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可對這幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),進(jìn)行單獨(dú)和組合配置,顯示。功能6:繪制單軸的位移圖,繪制單軸的速度圖,繪制單軸的加速度圖,繪制執(zhí)行點(diǎn)的位移圖,繪制執(zhí)行點(diǎn)的速度圖,繪制執(zhí)行點(diǎn)的加速度圖,繪制工作點(diǎn)的位移圖,繪制工作點(diǎn)的速度圖,繪制工作點(diǎn)的加速度圖。說明:(1)通過菜單欄的工具選擇不同的圖實(shí)時顯示,顯示時創(chuàng)建新的窗口,可以同時顯示多個窗口。(2)對于每一個窗口,確定一組顯示數(shù)據(jù)y軸,確定時間參數(shù)為X軸,確定顯示數(shù)據(jù)的大小,確定y軸數(shù)據(jù)的范圍,生成X,y軸的坐標(biāo),刻度,背景,網(wǎng)格,動態(tài)的顯示數(shù)據(jù)曲線,繪制曲線圖,可以同時在一張圖上顯示一組數(shù)據(jù)或者多組數(shù)據(jù)。(3)通過上面兩條可以確定一個類MDrawWave,這個類的屬性包括:A.時間t要顯示的范圍timeScale;B.顯示數(shù)據(jù)的范圍yinScale;C.時間間隔tGap;D.顯示的數(shù)據(jù)數(shù)組指針;E.顯示數(shù)據(jù)數(shù)組的大小;F.計(jì)算數(shù)據(jù)數(shù)組大小,生成數(shù)據(jù)數(shù)組,生成刻度,繪制網(wǎng)格。接口函數(shù)包括:A.寫入t的變動范圍函數(shù);B.寫入yinScale的函數(shù);C.寫入時間間隔;D.寫入待顯示數(shù)據(jù)FIFO; E.調(diào)用顯示。在對話框類中通過菜單的Id來調(diào)用Windows消息響應(yīng)函數(shù),在消息響應(yīng)函數(shù)里來實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的圖形繪制。功能7:設(shè)計(jì)機(jī)器人軌跡規(guī)劃類,完成不同軌跡規(guī)劃的任務(wù)。功能8:指令類,讀取輸入的指令,對指令進(jìn)行譯碼,并執(zhí)行指令代碼。功能9:指令文檔類,控制指令的輸入,和修改,檢查,報(bào)錯。功能10:狀態(tài)欄顯示類,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)的檢測,程序的檢測。功能11:維護(hù)類,對出現(xiàn)的程序