基于P MAC运动控制卡的混联码垛机器人研制3
刘相权,贠超,张志强,陈心颐,宁凤艳,臧冀原
(北京航空航天大学机器人研究所,北京 100083)
摘要:根据串联机构和并联机构的特点,以及搬运机器人的性能要求,设计了一种4自由度混联码垛机器人,分析了该机器人的运动学特性,求出其位置正反解析解,给出了机器人码垛的路径规划。控制系统采用工业PC(I PC)作为主计算机,利用分布式二级控制结构实现系统的监控和作业管理,协调各关节的运动,准确地跟踪轨迹规划。最后针对普通示教再现作业方式,提出了码垛机器人离线编程方法,重点对搬运机器人离线码垛过程进行了研究,自主开发了机器人控制软件。实际使用结果表明,所研制的机器人已能满足物流自动化系统中的码垛需求。
关键词:码垛机器人;运动学分析;控制系统;离线编程;物流自动化
中图分类号:TH165 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)05-0049-04
码垛机器人实质上是一种通用的工业搬运机器人,是物流自动化系统中必不可少的单机设备。随着国内经济的快速发展,物流自动化技术在国内方兴未艾,机器人码垛以其柔性工作能力、占地面积小、码垛速度快、码垛效果好的优点赢得广大用户的青睐,因此开发高性能、低成本、具有自主知识产权的码垛机器人将有广阔的市场前景。
依据这种市场特点,北京航空航天大学自主开发了码垛搬运机器人,该机器人采用混联机构,该机构在具有并联机构刚度大、速度高特点的同时,还具有串联机构较大工作空间的优点。在控制系统的设计上,以开放式的DSP多轴运动控制卡P MAC作为核心,控制软件的开发平台采用W indows2000,以面向对象的VC++作为上位机系统开发工具,从而在硬件和软件上保证了所研制的机器人具有较高的开放性和先进性。
1 混联码垛机器人的机械结构
码垛机器人的操作对象为用编织袋或纸袋包装的物品、箱类物品、块状物品。每件物品质量可达120kg,码垛能力可达到1200件/h。如图1所示,该机器人机构主要由3大部分组成:腰部、并联部分和腕部。腰部是整个机构的基础,驱动其余部分绕腰部旋转轴回转;并联部分为该机器人的手臂,固定在腰部上,在该部分内小臂通过前大臂、后大臂与导轨滑块铰接在一起,通过滚珠丝杠的驱动实现小臂位姿的调整。腕部安装在小臂上。
混联码垛机器人主要由4个关节组成,能实现以下4种运动:腰座旋转(x轴),水平前后运动(y轴),垂直上下运动(z轴)和腕部回转运动(U轴)。4种运动全部由交流伺服电机驱动,可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。腰座电机、腕部电机通过谐波减速器驱动腰座、机械手旋转,水平关节电机、垂直关节电机通过同步带轮减速后带动水平关节丝杠、垂直关节丝杠旋转,而丝杠通过其上的滑块驱动前大臂、后大臂沿各自导轨作水平前后运动、垂直上下运动[1]。
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F i rm and steady reli a b ility opti m i za ti on desi gn of m echan2 i ca l parts
L IY ong2hua1,2,HE W e i2dong1
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian J iaot ong Uni2 versity,Dalian116028,China;2.Depart m ent of Engineering Me2 chanics,Dalian University of Technol ogy,Dalian116024,China) Abstract:A kind of op ti m izati on designing method that could enhancing the reliability and r obustness of mechanical parts has been put f or ward.U sing the convex setmodel t o describe the uncer2 tainty existed in the parts design.By adop ting the physical p lanning method t o construct discontentedness functi on of the uncertainty pa2 ra meters.By means of m ini m izing the worst value of discontented2 ness functi on t o realize the r obustness of objective functi on.Thr ough the sensitivity analysis t o achieve the r obustness of constraint func2 ti on.The fir m and steady reliability op ti m izati on model was estab2 lished based on physical p lanning and sensitivity analysis.This model is a kind of nested op ti m izati on model and can be s olved by adop ting the dela m inati on method.By way of an op ti m izati on desig2 ning living exa mp le of valve s p ring the effectiveness and rati onality of this method was exp lained.
Key words:physical p lanning;fir m and steady reliability op2 ti m izati on;sensitivity analysis;s p ring
Fig1Tab2Ref10“J ixie Sheji”8874
第26卷第5期2009年5月
机 械 设 计
JOURNAL OF MACH I N E DESI G N
Vol.26 No.5
May 2009
3收稿日期:2008-08-06;修订日期:2008-12-29
作者简介:刘相权(1972-),男,河北辛集人,博士研究生,主要从事机械设计及理论、机器人、机电控制方面的研究。
1腰部;2腰部旋转轴;3水平关节导轨;4前大臂;5垂直关节导轨;
6后大臂;7小臂;8辅助连杆;9腕部
图1 码垛机器人机械结构图
2 码垛机器人的运动学分析
如图2所示,为了便于对并联部分的运动进行分析求解,设置一个固定坐标系O -xy,随并联部分一起绕腰部转动[2,3]。当机器人处于0位时,并联部分处于图中虚线位置,此时小臂上F 点的坐标为:x F 0=1430mm ,y F 0=1320mm 。
下面分析当水平关节向前移动x,垂直关节向上移动y,并
联机构运行到图中实线位置时,机器人腕部位置的变化规律。
图2 码垛机器人并联部分运动简图
由图2可知,在△AB C 中:
AB =240-y,B C =260+x
则:θ1=arctan
240-y
260+x
b 2=AC 2=AB 2+B C 2=(260+x )2+(240-y )2
在△ACD 中,a =260,c =240,则:
θ2=∠DAC =arccos
b 2+
c 2-a 2
2bc
θ3
=∠DCA =arccos a 2+b 2-c 2
2ab
此时E 点的坐标为:
x E =1320×cos (θ1+θ2)y E =y +1320×sin (θ1+θ2)
(1)
F 点的坐标为:
x F =x E +1430×cos (θ3-θ1)y F =y E -1430×sin (θ3-θ1)
(2)
将式(1)代入式(2),得:
x F =1320×cos (θ1+θ2)+1430×cos (θ3-θ1)
y F =y +1320×sin (θ1+θ2)-1430×sin (θ3-θ1)
(3)
又因为:
DM =260sin (θ3-θ1)=240sin (θ1+θ2)-(240-y )
(4)
将式(4)代入式(3),得:
x F =1430+5.5x y F =1320-4.5y
故当并联机构水平关节向前移动x,垂直关节向上移动y 时,小臂上F 点在x 和y 方向上的增量分别为:
x F z =x F -x F 0=5.5x y F z =y
F -y F 0=-4.5y
由于腕部旋转中心G 点相对于小臂上F 点固定不动,故G
点在x 和y 方向上的增量分别为:
x G z =5.5x y G z =-4.5y
(5)
图3 码垛机器人腰部、腕部旋转角度计算简图
机器人码垛时,假设码垛方式为每层3行3列(9件),由图
3可知,当码垛机器人搬运物品从自动生产线上A (x 0,y 0,z 0)点
到托盘上B (x 1,y 1,z 1)点时,按照右手定则腰部旋转的角度为:
θ1=arctan
y 1x 1
-90°
(6)
水平关节移动的距离为:
l 1=(
(x 21+y 2
1)-y 0)/5.5
(7)垂直关节移动的距离为:
l 2=(z 1-z 0)/(-4.5)
(8)腕部机械手旋转的角度为:
θ2=-θ1
(9)
由以上分析可知,给定工作区间上初始位置和任意一点,
即可根据式(6)～式(9)求解出各个关节应旋转的角度或移动的距离。同理,已知各个关节旋转的角度或移动的距离,末端机械手的位姿亦不难求解,这里不作赘述。
3 控制系统的硬件结构与组成
文中采用I PC +DSP 的二级计算机控制系统来实现码垛机
5机 械 设 计
第26卷第5期
器人的控制[4],工控机(I PC )在性能、结构、价格,特别是其软件标准等方面具有很多优点,因此上位机采用工控机(I PC ),主要处理机器人控制中的非实时任务,如运动学计算、轨迹规划、系统监控管理等。下位机采用美国Delta Tau 公司生产的
P MAC2A -PC /104型多轴运动控制卡和LG 公司生产的可编程
逻辑控制器(P LC ),用来与下层执行机构进行数据通信。这种机器人控制系统采用开放式硬件、软件结构,可以根据需要方便地扩展功能,具有良好的开放性和扩展性。
在实际应用中,用户通过上位机进行系统相关的数据输入、参数设定、路径规划,任务指定等工作,通过I S A 总线与
P MAC 通讯,由P MAC 根据上位机的要求发送指令给伺服驱动
器,由伺服驱动器驱动伺服电机执行相关指令。上位机发送到下位机的数据主要是各种控制命令和参数,下位机向上位机传送的数据则主要是各种机器运行的状态信号。伺服电机和伺服驱动器用于实现机器人的速度和位置控制。
机器人工作时,根据不同的码垛物品,在腕部安装相应的机械手,抓手分袋状物机械手、箱状物机械手、吸盘机械手、桶状物机械手。文中利用P LC 对箱状物机械手控制进行分析。
如图4所示,机器人底盘部位安装气源接口,装有气源处理器和压力继电器,当压力低于一定程度时,控制系统应报警并停机。箱状物机械手安装2只电磁阀,由P LC 对其进行控制,1只二位五通电磁阀控制抓手气缸以实现抓手开合,1只三位五通电磁阀控制夹板气缸以实现夹板开合
。
图4 箱状物机械手气路控制简图
文中所研究的码垛机器人控制系统结构如图5
所示。
图5 码垛机器人控制系统结构4 控制系统的软件设计
该机器人控制系统的软件依据开放式的指导思想,采用面向对象的模块化工程设计方法[5]。与硬件结构相对应,控制系统软件也分为上下两层,上层软件的主要功能模块有:提供人机交互界面、初始化模块,参数设置模块,轨迹规划模块,手动控制模块,自动控制模块,监控模块,示教模块,以及串行通讯等模块,采用V isual C ++语言编程,在工控机内执行,各个模块都具有自己独立的功能,相互调用关系简单。下层软件包括
P MAC 控制模块和P LC 控制模块,P MAC 控制模块利用P MAC
运动语言编写下位机运动控制程序,下载到控制卡上执行,P LC 控制模块根据P LC 的编程规则编写梯形图,下载到P LC 内运行。
结合Delta Tau 公司提供的P MAC 通讯控件Pcomm32作为上层软件与P MAC 通讯的桥梁。对于P LC 控制系统,利用
W indows AP I 提供的通信函数编写出可移植性的串行通信模
块,实现上层软件与LG P LC 之间的通信。
4.1 码垛程序模板的建立
机器人在码垛时的动作是根据码垛程序中的运动命令的位置数据来完成的。在该系统中,根据作业要求,机器人所处理的物品超过30种,每种物品的尺寸都有差别,而每种作业中,又有几种垛形。机器人在码垛时,随时根据上位机的命令完成不同的作业。这样,物品品种、垛形等因素进行组合,形成了各种动作要求。机器人根据这些组合完成相应的动作,才能满足生产作业要求。对于示教再现型的工业机器人,如果预先将所有动作组合示教出来,工作量非常巨大,而且,当有新的物品时,系统没有自动扩展能力对之进行处理。因此,需要离线编程的办法。在该系统中,根据机器人码垛程序模板,采用码垛位置变量实时处理方法。
根据码垛方式,预先做好相应的程序模板,但其中的码垛位置的目标点不做示教,而是代之以可以在运行中临时调整的
位置变量作为运动命令的位置数据。通过向机器人系统中输入一些必要的参数,机器人能够选定相应的的程序模板和搬运路径。输入的参数有码垛物品的形状尺寸、码垛垛形的选择及描述这些垛形的形状尺寸。此外还要向机器人示教物品初放点的位姿,根据这些参数机器人编程系统就能描述码垛空间和物品间的码垛模型,计算出各运动目标位置变量值以进行码垛。这样,系统在有效地满足了全部作业要求的情况下,码垛程序得到了很大地简化,并且可方便地进行调整。当有新的物品增加时,可方便地进行功能扩展。
码垛空间一定要在机器人的最大工作空间内,这样机器人才能按需要码放物品。但是所示教的仅是能够有限地描述码垛空间的位置点,这不能表示码垛空间内的所有物品放置点都在机器人的工作空间内,因此还要判断描述出来的码垛空间是否在机器人工作空间内。首先根据那些描述码垛空间点的位姿计算出码垛空间内物品放置边缘点在基坐标系内的坐标,只要这些边缘点在机器人的工作空间内,就保证了码垛空间内所有的物品放置点都在机器人的工作空间内。
4.2 运动轨迹的规划
1
52009年5月刘相权,等:基于P MAC 运动控制卡的混联码垛机器人研制
在机器人码垛时,需要对码垛机器人运动轨迹进行规划,使其能够将物品准确、快速地码垛成所需要的形式。
图6所示为机器人码垛所走的轨迹[6]。从原始位置O-P1-P2-P1-P3-P4-P5完成从初始位置到放置物品的过
程,从P
5
-P4-P3-P1-P2完成抓取物品过程,各个点定义如下:
O为机械手中心点的初始位置,其位姿取决于码垛机器人
的结构和初始设置,P
1
为码垛机器人末端工具机械手从初始位置到物品放置点的中间过渡点,其姿态与取物品时的工具姿态相同,位置坐标在垂直方向上加一个物品高度值,其他坐标
值相同。P
2
为物品在生产线上的放置点,其位姿取决于物品的
放置情况。P
3
为物品码垛空间外并靠近码垛空间的一点,其位
姿取决于码垛空间位置和物品初放位置。P
4
为每个物品最终放置点上方的位置点,其位姿取决于每个物品所要放置的位
置。P
5为每个物品的最终放置点。这些点中P
4
和P
5
是随着
每个物品所应放置的位置的不同而不同,这些目标变量位置可
以根据码垛的形状和初放位置等情况由上位机实时计算求解
。
图6 机器人码垛轨迹规划
4.3 机械手的P LC控制规划
箱状物机械手上抓手或夹板的开合由P LC控制,主要完成以下几个动作:待机-取箱-移箱-码箱-复位。机械手的P LC控制规划如表1所示。
表1 机械手的PLC控制规划
序号动作Y V1Y V2Y V3动作说明备注
1待机110Y V2=1夹板打开Y V1=1抓手打开
2取箱001
有可抓取信号时
Y V1=0,Y V2=0,Y V3=1
抓手抓箱,夹板夹紧
在抓取位置应
做垂直下降动
作
3移箱001由机器人移动纸箱在移动到目标位置前,确保抓手在邻近无箱这一侧
4码箱110
Y V1=1打开抓手
Y V3=0,Y V2=1
(0.01～0.5s可调)
抓手的机械结
构使夹板邻近
有箱侧保持不
动,无箱侧(有
抓手侧)稍松
一下,纸箱落
在码垛上
5复位110Y V2=1夹板打开
Y V1=1抓手打开
纸箱落下后,
抓手垂直上升
一段距离后,
Y V2再次通
电,抓手完全
打开,动作完
成,夹板抓手
回待机位
5 结束语
自主开发了具有开放式控制系统的4自由度混联码垛机
器人,该机器人机械结构设计合理,控制系统的硬件和软件具
有较高开放性。除了用于码垛以外,还可以广泛用于物流自动
化行业中的物料搬运、分拣等方面,具有广阔的市场前景。此
外,由于该机器人的控制系统具有较好的可扩展性和兼容性,
因此极易扩展、移植用于其余类型的机器人、数控机床等自动
化设备。
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D evelop m en t of m i xed2connecti on robot pa lleti zer ba sed
on P M AC
L I U X i a ng2quan,Y UN Chao,ZHANG Zh i2q i a ng,
CHEN X i n2y i,N I NG Feng2yan,ZANG J i2yuan
(I nstitute of Robotics,Beijing University of Aer onautics and
A str onautics,Beijing100083,China)
Abstract:On the basis of characteristics of series mechanis m s
and parallel mechanis m s,and of the perfor mance demands of trans2
portati on r obot,a kind of4DOF m ixed connecti on r obot palletizer
was designed.And then the kine matics characteristics of this r obot
have been analyzed,the analyses of its positi onal f or ward and re2
verse s oluti ons were f ound out.The industrial PC(I PC)has been
adop ted as the p ri m ary computer in the contr olling syste m,utilizing
the distributi on styled t w o staged contr ol structure t o realize the mo2
nit oring contr ol and operati onal management of the syste m,t o har2
monize the movements of each j oint and t o track accurately the l o2
cus p lanning.Finally,ai m ed at the operati on manner of the general
teaching and p layback reappearance,the offline p r ogra mm ing meth2
od f or the r obot palletizer has been put for ward.A study on the off2
line stacking p r ocess of trans portati on r obot was carried out emphat2
ically,and the contr olling s oft w are of r obot was devel oped inde2
pendently.The result of p ractical e mp l oy ment showed that the be2
ing devel oped r obot could already satisfy the stacking de mand in the
l ogistic aut omati on syste m.
Key words:r obot palletizer;kine matics analysis;contr olling
syste m;offline p r ogra mm ing;l ogistic aut omati on
Fig6Tab1Ref6“J ixie Sheji”8269
25机 械 设 计第26卷第5期