09~10四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

1、四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計一、四自由度碼垛機器人簡介隨著科技工業(yè)自動化的發(fā)展徒多輕工業(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器人每天自動對1000箱食品進(jìn)行托盤處理，這些碼垛機器人夜以繼日地工作，從不要求增加工資。碼垛機器人的應(yīng)用越來越廣。碼垛機器人配備有特殊定制設(shè)計的多功能抓取器，不管包裝箱尺寸或重量如何，機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，四自由度碼垛機器人本體由腰部、大臂、小臂、腕部組成。圖1碼垛機器人簡圖如圖2所示，碼垛機器人具有獨特的線性執(zhí)行機構(gòu)，使其保證了手部在

2、水平與垂直方向的平行移動。圖2碼垛機器人的線性執(zhí)行機構(gòu)運動示意圖此四自由度碼垛機器人的應(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與放置點進(jìn)行示教，圖3碼垛機器人的應(yīng)用案例二、四自由度碼垛機器人控制要求及其控制方案1、控制要求如圖1所示，四自由度碼垛機器人的運動主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驅(qū)動電機實現(xiàn)。在此均采用松下A5伺服電機；抓取部件等其他輔助運動采用氣動，由電磁閥動作來控制抓取部件的動作。四自由度碼垛機器人的運動控制系統(tǒng)主要包括感知部分、硬件部分和軟件部分，其運動控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是要控制此機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡以及作業(yè)流程等。止匕外，還要求：1

3、）防碰撞檢測和在線編程控制，可以進(jìn)行離線仿真；2）人機界面友善、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的運動控制方案基于PLC的機器人運動控制系統(tǒng)，一般利用觸摸屏進(jìn)行人機交互。在觸摸屏上的人機界面，由組態(tài)軟件編寫人機操作界面實現(xiàn)人機交互；PLC則通過I/O模塊與碼垛機器人以及現(xiàn)場設(shè)備通信并實現(xiàn)控制，通過接受PLC的控制命令，實現(xiàn)機器人及其周邊、物流設(shè)備的啟停與協(xié)調(diào)，同時將碼垛機器人及其周邊、物流設(shè)備的運行狀態(tài)返回給PLC。控制方案2:基于嵌入式PC的運動控制方案器陰也黑

4、開關(guān)人螞部分界面霹|噸機莖于憒入式工控機的運動控制器輸入信號，一“慨入式系裝一輸出設(shè)群電礴腳伺般呢動器祠解驅(qū)動器同報架動器II14j1電機：何服眥到暑電機基于嵌入式PC的運動控制模式，實現(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上編程來實現(xiàn)機器人的復(fù)雜控制算法。圖中運動控制器實現(xiàn)對電機的基本控制，包括插補，控制加減速等。嵌入式PC主要完成對運動控制器的控制，實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制算法和人機界面。碼垛機器人軸數(shù)：4軸 （即4個伺服電機， 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系列電機和配套驅(qū)

5、動器。工控機選用工業(yè)以太網(wǎng)口嵌入式工控機?？刂栖浖到y(tǒng)整體需求：首先需要實現(xiàn)的機器人在運動空間內(nèi)實現(xiàn)單關(guān)節(jié)，單電機驅(qū)動，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)空間的單軸運動；同時還需要實現(xiàn)在笛卡爾坐標(biāo)系中X軸、Y軸和Z軸的單軸運動。這些基本的運動能作為示教編程的基礎(chǔ)。然后需要實現(xiàn)示教編程功能，要實現(xiàn)示教編程，需要保存機器人的當(dāng)前位置狀態(tài)信息，利用機器人的運動學(xué)方程及軌跡規(guī)劃算法來實現(xiàn)空間直線和空間圓弧的運動。最后要實現(xiàn)離線編程功能，則需要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)用計算機來模擬真實的機器人和工作環(huán)境。通過對虛擬機器人的控制和編程來實現(xiàn)離線編程的功能。軟件應(yīng)包含的功能：一一按面向?qū)ο蟮念愡M(jìn)行功能規(guī)劃與設(shè)計功能1:設(shè)計軸類，能

6、夠?qū)崿F(xiàn)對碼垛機器人單軸的控制；通過軸類能夠設(shè)置和讀取運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；通過軸類可以實現(xiàn)單軸運動。功能2:設(shè)計正逆運動學(xué)算法類，能夠隨時調(diào)用，通過正逆運動學(xué)算法類實現(xiàn)碼垛機器人的正逆運動學(xué)求解；通過正逆運動學(xué)算法類維護(hù)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄機器人結(jié)構(gòu)尺寸、運動范圍；通過正逆運動學(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；通過正逆運動學(xué)算法類實現(xiàn)正運動學(xué)計算并返回運算結(jié)果；通過正逆運動學(xué)算法類實現(xiàn)逆運動學(xué)計算并返回運算結(jié)果。功能3:設(shè)計機器人類， 在機器人類添加4個軸類分別代表

7、不同的軸， 同時還添加正逆運動學(xué)算法類。通過機器人類實現(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運動緩存器(PT模式是固高運動卡中內(nèi)置的一種運動模式，可以實現(xiàn)任意的速度曲線控制；另一含義：PT可編程終端)。通過機器人類維護(hù)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來指示機器人當(dāng)前狀態(tài)；通過機器人類啟動機器人運動PT緩存中的軌跡。功能4:實現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，維護(hù)一個描述機器人運動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。(1)機器人運動數(shù)據(jù)是指，各關(guān)節(jié)的運行位移，速度，加速度，各軸的運行位移，速度,加速度，執(zhí)行點的運行位移，速度，加速度，電機編碼器的位移，速度，加速度。實現(xiàn)：讀取控制器的運動數(shù)據(jù)，通過讀取的數(shù)據(jù)參數(shù)、

8、通過機器人的運動和結(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)計一個類，維護(hù)一個機器人的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨顯示，可以整體調(diào)用。功能5:可以設(shè)置機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)、運動控制器參數(shù)和其他輔助參數(shù)。同時可以顯示機器人運動狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)和已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)。說明：(1)由于機器人和運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)機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，機器人運動參數(shù)，運動控制器參數(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

9、軸的加速度圖，繪制執(zhí)行點的位移圖，繪制執(zhí)行點的速度圖，繪制執(zhí)行點的加速度圖，繪制工作點的位移圖，繪制工作點的速度圖，繪制工作點的加速度圖。說明：(1)通過菜單欄的工具選擇不同的圖實時顯示，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)組的大小下計算數(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。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)里來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的圖形繪制。功能7:設(shè)計機器人軌跡規(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