0910四自由度碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 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(jiǎn)介 隨著科技工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,很多輕工業(yè)都相繼通過(guò)自動(dòng)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(dòng)對(duì)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(lái)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

2、 碼垛機(jī)器人簡(jiǎn)圖 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 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(dòng)。 無(wú) 耦 合 垂 直 線 性 運(yùn) 動(dòng) 無(wú)耦合水平線性運(yùn)動(dòng) 圖2 碼垛機(jī)器人的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便。 只需對(duì)抓取點(diǎn)與放 置點(diǎn)進(jìn)行示教, 最優(yōu)軌跡規(guī)劃 自動(dòng)由控制器生成。 圖3 碼垛機(jī)器人的應(yīng)用案例 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 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)

3、動(dòng)主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驅(qū)動(dòng)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(dòng)采用氣動(dòng)，由電磁閥動(dòng)作來(lái)控制抓取部件的動(dòng)作。 四自由度碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(kāi)關(guān)雙電路設(shè)計(jì)使在緊急狀態(tài)下自動(dòng)切斷伺服動(dòng)作，從而保證安全。 2、控制方案 控制方案1：基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制方案

4、 基于PLC的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(guò)I/O模塊與碼垛機(jī)器人以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信并實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)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(shí)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。 控制方案2：基于嵌入式PC的運(yùn)動(dòng)控制方案 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 基于嵌入式PC的運(yùn)動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化，同時(shí)又兼具開(kāi)放性,可通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)器的基本功能函數(shù)在嵌入式PC上編程來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的復(fù)雜控制算法。 圖中運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的基本控制,包括插補(bǔ),控制加減速等。

5、嵌入式PC主要完成對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的控制,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法和人機(jī)界面。 碼垛機(jī)器人軸數(shù)：4軸（即4個(gè)伺服電機(jī)，分別是3個(gè)750W，型號(hào)MSMJ082G1U，一個(gè)400w，型號(hào)MSMJ042G1U）伺服系統(tǒng)選擇日本松下A5系列電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)器。工控機(jī)選用工業(yè)以太網(wǎng)口嵌入式工控機(jī)。 控制軟件系統(tǒng)整體需求： 首先需要實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié),單電機(jī)驅(qū)動(dòng),也就是能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)空間的單軸運(yùn)動(dòng)；同時(shí)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(dòng)。這些基本的運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)方程及軌跡

6、規(guī)劃算法來(lái)實(shí)現(xiàn)空間直線和空間圓弧的運(yùn)動(dòng)。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(lái)模擬真實(shí)的機(jī)器人和工作環(huán)境。通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)器人的控制和編程來(lái)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(duì)碼垛機(jī)器人單軸的控制；通過(guò)軸類能夠設(shè)置和讀取運(yùn)動(dòng)控制卡中的針對(duì)各軸的參數(shù) 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ ；通過(guò)軸類維護(hù)一個(gè)軸類的參數(shù)和位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；通過(guò)軸類可以將其內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)讀出；通過(guò)軸類可以實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)。 功能2:設(shè)計(jì)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類,能夠隨時(shí)調(diào)用,通過(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解；通過(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類維護(hù)一

7、個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)范圍；通過(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類維護(hù)一個(gè)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(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算并返回運(yùn)算結(jié)果；通過(guò)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)動(dòng)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(gè)軸類分別代表不同的軸,同時(shí)還添加正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法類。通過(guò)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(dòng)緩存器（PT模式是固高運(yùn)動(dòng)卡中內(nèi)置的一種運(yùn)動(dòng)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(guò)機(jī)器人類維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)指示機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)；通過(guò)機(jī)器人類啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)PT

8、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(gè)描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 (1)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)讀取的數(shù)據(jù)參數(shù)、通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(guò)以上說(shuō)明,可以設(shè)計(jì)一個(gè)類,維護(hù)一個(gè)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(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)和其他輔助參數(shù)。同時(shí)可以顯示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參

9、數(shù),系統(tǒng)參數(shù)和已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)。 說(shuō)明: (1)由于機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)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(lái)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(dòng)參數(shù),運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù),他輔助參數(shù)等多 個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可對(duì)這幾個(gè)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(shuō)明: (1)通過(guò)菜單欄的工具選擇不同的圖實(shí)時(shí)顯示,顯示時(shí)創(chuàng)建新的窗口,可以同時(shí)顯示多個(gè)窗口。 (2)對(duì)于每一個(gè)窗口,確定一組

10、顯示數(shù)據(jù)y軸,確定時(shí)間參數(shù)為X軸,確定顯示數(shù)據(jù)的大小 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ ,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(dòng)態(tài)的顯示數(shù)據(jù)曲線,繪制曲線圖,可以同時(shí)在一張圖上顯示一組數(shù)據(jù)或者多組數(shù)據(jù)。 (3)通過(guò)上面兩條可以確定一個(gè)類MDrawWave, 這個(gè)類的屬性包括: A.時(shí)間t要顯示的范圍timeScale;B.顯示數(shù)據(jù)的范圍yinScale;C.時(shí)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(dòng)范圍函數(shù);B.寫入yinScale的函數(shù);C.寫入時(shí)間間隔;D.寫入待

11、顯示數(shù)據(jù)FIFO; E.調(diào)用顯示。在對(duì)話框類中通過(guò)菜單的Id來(lái)調(diào)用Windows消息響應(yīng)函數(shù),在消息響應(yīng)函數(shù)里來(lái)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(duì)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(cuò)。 功能10:狀態(tài)欄顯示類,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)的檢測(cè),程序的檢測(cè)。 功能11:維護(hù)類,對(duì)出現(xiàn)的程序錯(cuò)誤進(jìn)行診斷。 功能12:虛擬機(jī)器人類,實(shí)現(xiàn)碼操機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 機(jī)器人控制系統(tǒng)整體構(gòu)架采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。首先將要控制系統(tǒng)分為主要的四大模塊,包括機(jī)器人模塊,數(shù)據(jù)庫(kù)模塊,控制模塊,虛擬模塊和檢測(cè)模塊。下面重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人模塊進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)描述。該模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各軸運(yùn)動(dòng)控制,算法,手抓和數(shù)據(jù)維護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!） 請(qǐng)預(yù)覽后下載！