基于PMAC的混联码垛机器人研制.doc

基于PMAC的混联码垛机器人研制摘 要：根据串联机构和并联机构的特点,并根据搬运机器人的性能要求,设计了一种四自由度混联码垛机器人, 然后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( IPC)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码垛的需求.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;Developing of mixed-connection palletizing robot Based on PMAC Abstract：According to the characteristics of series and parallel mechanism, a novel mixed-connection palletizing robot was designed based on the functional requirement. The kinematic characteristic was investigated and the closed-formed solutions of both the inverse and direct kinematics were developed, the palletizing path planning is given in this part. Control system uses industrial PC(IPC) as its main computer and uses two classes distributed control structure to realize system monitoring and operation management. Main computer harmonizes the movement of every joint and traces path planning accurately. The off-line programming methods of palletizing robot is presented in the way teaching and playback, the processing of stacking is researched especially, controlling software of the robot is developed. The applications prove that the robots can meet the demands of palletizing in logistics automation.Key words: palletizing robot; kinematics analysis; control system; off-line programming; logistics automation;1. 引言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,我单位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的刚度大、速度高的特点同时还具有串联机构较大的工作空间优点。在控制系统的设计上,以开放式的DSP多轴运动控制卡PMAC作为核心，控制软件的开发平台采用Windows 2000,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.2. 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。每件物品重量可达120kg，码垛能力可达到1200件/小时。如图1所示，该机器人机构主要由三大部分组成:腰部、并联部分以及腕部;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. 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. 腕部前大臂、后大臂和小臂的外侧各有一个平行四边形辅助连杆结构，这两个连杆结构之间是通过刚性连接，并最终连接在腕部，以保持端部法兰固定向下，工作时，根据实际作业的需要可以在机器人腕部安装机械手，机械手姿态控制通过控制腰座和腕部关节的转动来实现，机械手的位置则通过控制腰部、前大臂和后大臂的关节来实现。这种结构的机器人完全可以满足生产线上的搬运和码垛作业，因为通常被搬运的物品只需要从一个位置，移到另一个位置上，绕垂直于水平方向的轴旋转调整放置方向，而不需要进行其他姿态的调整。由于腕部减少了两个自由度，减轻了小臂运动负荷，使得机器人在选用同样功率的驱动电机可以驱动更大负载。简化的结构可以使机器人的示教更加简单方便。图1 码垛机器人机械结构图3. 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XOY，随并联部分一起绕腰部转动。当机器人处于零位时，并联部分处于图中虚线位置，此时小臂上点的坐标为下面分析当水平关节向前移动，垂直关节向上移动，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示可知,在中，则在中， 此时点的坐标为 (1 ) 点的坐标为 (2 )将(1 )式代入(2 )式，得 (3 )又因为 (4 )将(4 )式代入(3 )式，得故并联机构当水平关节向前移动，垂直关节向上移动时，小臂上点在、方向上的增量分别为 由于腕部旋转中心点相对于小臂上点固定不动，故点在、方向上的增量分别为 (5 )机器人码垛时，假设码垛方式为每层三行三列（9件），由图3可知，当码垛机器人搬运物品从自动生产线上点到托盘上点时，按照右手定则腰部旋转的角度为 ； (6 )水平关节移动的距离为 ； (7 )垂直关节移动的距离为 ； (8 )腕部机械手旋转的角度为 ； (9 )图3 码垛机器人腰部、腕部旋转角度计算简图由以上分析可知，给定工作区间上初始位置和任意一点，即可根据式(6 )、(7)、(8 )、(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，这里不做赘述。4. 控制系统的硬件结构与组成本文采用IPC+DSP的二级计算机控制系统结构来实现码垛机器人的控制, 工控机( IPC) 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(IPC)，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PMAC2A-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（PLC），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ISA总线与PMAC通讯，由PMAC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。本文利用PLC对箱状物机械手控制为例进行分析。如图4所示，机器人底盘部位安装气源入口，装有气源处理和压力继电器，当压力低于一定程度时，控制系统应报警并停机。箱状物机械手安装有两只电磁阀，由PLC对其进行控制，一只二位五通电磁阀控制抓手气缸以实现抓手开合，一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本文所研究的码垛机器人控制系统结构如图5所示。工控机 ISA总线 多轴运动控制卡PMAC可编程运动控制器PLC信号转接板三位五通电磁阀电机二位五通电磁阀电机伺服驱动放大器伺服驱动放大器伺服驱动放大器伺服驱动放大器 光码盘4电机光码盘3电机光码盘2电机光码盘1电机抓手气缸夹板气缸腕部关节夹板开合抓手开合垂直关节水平关节腰座关节图5 码垛机器人控制系统结构5. 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的工程设计方法.与硬件结构相对应,控制系统软件也分为上下两层, 上层软件具有的主要功能模块有：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Visual 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PMAC控制模块和PLC控制模块，PMAC控制模块利用PMAC运动语言编写下位机运动控制程序，下载到控制卡上执行，PLC控制模块根据PLC的编程规则编写梯形图，下载到PLC内运行。结合Delta Tau公司提供的PMAC通讯控件Pcomm32作为上层软件与PMAC通讯的桥梁.对于PLC控制系统,我们利用Windows API 提供的通信函数编写出可移植性的串行通信模块，实现了上层软件与LG PLC之间的通信。5.1 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。在本系统中,根据作业要求,机器人所处理的物品,超过三十种,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,采用了机器人码垛程序模板, 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。这样系统在有效的满足了全部作业要求的情况下, 码垛程序得到了很大的简化,并且可方便的进行调整。当有新的物品增加时,可方便的进行功能扩展。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的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。5.2 运动轨迹的规划在机器人码垛时，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、快速地码垛图6 机器人码垛轨迹规划成所需要的形式。图6为机器人码垛所走的轨迹。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P5 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，P1 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。 P2 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。 P3 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。 P4 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。P5 为每个物品的最终放置点。这些点中P4 和P5 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。5.3 机械手的PLC控制规划 箱状物机械手上抓手或夹板的开合由PLC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PLC控制规划如表1所示。序号动作YV1YV2YV3动作说明备注1待机110YV2=1 夹板打开YV1=1 抓手打开2取箱001有可抓取信号时YV1=0，YV2=0，YV3=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10YV1=1 打开抓手