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1、.四自由度码垛机器人控制系统设计四自由度码垛机器人控制系统设计一、四自由度码垛机器人简介一、四自由度码垛机器人简介随着科技工业自动化的开展,很多轻工业都相继通过自动化流水线作业.尤其是食品工厂,后道包装机械作业使用一些成套设备不仅效率提高几十倍,生产本钱也降低了。其中四自由度码垛机器人每天自动对 1000 箱食品进展托盘处理，这些码垛机器人夜以继日地工作，从不要求增加工资。码垛机器人的应用越来越广。码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器，不管包装箱尺寸或重量如何，机器人都可以使用真空吸盘结实地夹持和传送包装箱。如图 1 所示，四自由度码垛机器人本体由腰部、大臂、小臂、腕部组成。腕部大臂小臂
2、腰部.v.图 1码垛机器人简图如图 2 所示，码垛机器人具有独特的线性执行机构，使其保证了手部在水平与垂直方向的平行移动。无耦合垂无耦合水平线性运动图 2码垛机器人的线性执行机构运动示意图此四自由度码垛机器人的应用案例如图 3 所示。具有示教作业简单,现场操作简便。.v.只需对抓取点与放置点进展示教,图 3码垛机器人的应用案例二、四自由度码垛机器人控制要求及其控制方案二、四自由度码垛机器人控制要求及其控制方案1、控制要求如图 1 所示，四自由度码垛机器人的运动主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驱动电机实现。在此均采用松下A5 伺服电机；抓取部件等其他辅助运动采用气动，由电磁阀动作来控制抓取部件
3、的动作。四自由度码垛机器人的运动控制系统主要包括感知局部、硬件局部和软件局部，其运动控制系统的主要任务是要控制此机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹以及作业流程等。此外，还要求：1防碰撞检测和在线编程控制,可以进展离线仿真；2人机界面友善、高度可靠作性和平安性；3便携式触摸屏示教器、全中文界面；4利用使能开关双电路设计使在紧急状态下自动切断伺服动作，从而保证平安。2、控制方案控制方案控制方案 1 1：基于 PLC 的运动控制方案.v.基于 PLC 的机器人运动控制系统，一般利用触摸屏进展人机交互。在触摸屏上的人机界面，由组态软件编写人机操作界面实现人机交互；PLC 那么通过I/O 模块与码
4、垛机器人以及现场设备通信并实现控制，通过承受 PLC 的控制命令，实现机器人及其周边、物流设备的启停与协调，同时将码垛机器人及其周边、物流设备的运行状态返回给 PLC。控制方案控制方案 2 2：基于嵌入式 PC 的运动控制方案.v.基于嵌入式 PC 的运动控制模式，实现控制系统的模块化，同时又兼具开放性,可通过调用驱动器的根本功能函数在嵌入式 PC 上编程来实现机器人的复杂控制算法。图中运动控制器实现对电机的根本控制,包括插补,控制加减速等。嵌入式 PC主要完成对运动控制器的控制,实现复杂的运动控制算法和人机界面。码垛机器人轴数：4 轴即 4 个伺服电机，分别是3 个 750W，型号MSMJ0
5、82G1U，一个 400w，型号 MSMJ042G1U伺服系统选择日本松下 A5 系列电机和配套驱动器。工控机选用工业以太网口嵌入式工控机。控制软件系统整体需求：控制软件系统整体需求：首先需要实现的机器人在运动空间实现单关节,单电机驱动,也就是能够实现关节空间的单轴运动；同时还需要实现在笛卡尔坐标系中 X 轴、Y 轴和 Z 轴的单轴运动。这些根本的运动能作为示教编程的根底。然后需要实现示教编程功能,要实现示教编程,需要保存机器人的当前位置状态信息,利用机器人的运动学方程及轨迹规划算法来实现空间直线和空间圆弧的运动。最后要实现离线编程功能,那么需要利用虚拟现实技术用计算机来模拟真实的机器人和工作
6、环境。通过对虚拟机器人的控制和编程来实现离线编程的功能。.v.软件应包含的功能：软件应包含的功能：按面向对象的类进展功能规划与设计按面向对象的类进展功能规划与设计功能功能 1:1:设计轴类，能够实现对码垛机器人单轴的控制；通过轴类能够设置和读取运动控制卡中的针对各轴的参数；通过轴类维护一个轴类的参数和位置的数据构造；通过轴类可以将其部的速度构造读出；通过轴类可以实现单轴运动。功能功能 2:2:设计正逆运动学算法类,能够随时调用,通过正逆运动学算法类实现码垛机器人的正逆运动学求解；通过正逆运动学算法类维护一个数据构造记录机器人构造尺寸、运动围；通过正逆运动学算法类维护一个数据构造可以承受外界传入
7、的关节坐标系位置值和笛卡尔坐标系位置值；通过正逆运动学算法类实现正运动学计算并返回运算结果；通过正逆运动学算法类实现逆运动学计算并返回运算结果。功能功能 3:3:设计机器人类,在机器人类添加 4 个轴类分别代表不同的轴,同时还添加正逆运动学算法类。通过机器人类实现将笛卡尔坐标系中的位置值转换为关节空间的位置值,并传入轴类的 PT 运动缓存器PT 模式是固高运动卡中置的一种运动模式，可以实现任意的速度曲线控制；另一含义：PT 可编程终端。通过机器人类维护一个数据构造来指示机器人当前状态；通过机器人类启动机器人运动 PT 缓存中的轨迹。功能功能 4:4:实实现控制器数据读取,数据转换,维护一个描述
8、机器人运动数据的数据构造。(1)机器人运动数据是指,各关节的运行位移,速度,加速度,各轴的运行位移,速度,加速度,执行点的运行位移,速度,加速度,电机编码器的位移,速度,加速度。实现:读取控制器的运动数据,通过读取的数据参数、通过机器人的运动和构造算法求出其他数据。作用:用于参数显示,用于绘制图形,用于控制虚拟模型。(2)通过以上说明,可以设计一个类,维护一个机器人的数据构造,可以调用数据进展单独显示,可以整体调用。功能功能 5:5:可以设置机器人构造参数、运动参数、运动控制器参数和其他辅助参数。同时可以显示机器人运动状态参数,系统参数和已经设置的参数。说明:(1)由于机器人和运动控制器都有多
9、种不同的组合形式,需要设置不同的参数,来到达某种配置形式。(2)维护机器人构造参数,机器人运动参数,运动控制器参数,他辅助参数等多个数据构造,可对这几个数据构造,进展单独和组合配置,显示。功能功能 6:6:绘制单轴的位移图,绘制单轴的速度图,绘制单轴的加速度图,绘制执行点的位移图,绘制执行点的速度图,绘制执行点的加速度图,绘制工作点的位移图,绘制工作点的速度图,绘制工作点的加速度图。.v.说明:(1)通过菜单栏的工具选择不同的图实时显示,显示时创立新的窗口,可以同时显示多个窗口。(2)对于每一个窗口,确定一组显示数据y轴,确定时间参数为X轴,确定显示数据的大小,确定 y 轴数据的围,生成 X,
10、y 轴的坐标,刻度,背景,网格,动态的显示数据曲线,绘制曲线图,可以同时在一图上显示一组数据或者多组数据。(3)通过上面两条可以确定一个类 MDrawWave,这个类的属性包括:A.时间 t 要显示的围 timeScale;B.显示数据的围 yinScale;C.时间间隔 tGap;D.显示的数据数组指针;E.显示数据数组的大小;F.计算数据数组大小,生成数据数组,生成刻度,绘制网格。接口函数包括:A.写入 t 的变动围函数;B.写入 yinScale 的函数;C.写入时间间隔;D.写入待显示数据 FIFO;E.调用显示。在对话框类过菜单的 Id 来调用 Windows 消息响应函数,在消息响
11、应函数里来实现不同数据的图形绘制。功能功能 7:7:设计机器人轨迹规划类,完成不同轨迹规划的任务。功能功能 8:8:指令类,读取输入的指令,对指令进展译码,并执行指令代码。功能功能 9:9:指令文档类,控制指令的输入,和修改,检查,报错。功能功能 1010:状态栏显示类,实现机器人状态的检测,程序的检测。功能功能 11:11:维护类,对出现的程序错误进展诊断。功能功能 12:12:虚拟机器人类,实现码操机器人的实时监控。机器人控制系统整体构架采用自顶向下的设计方法。首先将要控制系统分为主要的四大模块,包括机器人模块,数据库模块,控制模块,虚拟模块和检测模块。下面重点对机器人模块进展一些构造描述。该模块主要实现机器人的各轴运动控制,算法,手抓和数据维护。其构造如图.v.