基于nj的两自由度并联机械手控制系统表

“OMRON杯”SYSMAC自动化控制应用设计科目作品申报表作品简介一开发背景随着工业自动化水平提高，机器人应用越来越广泛。OMRON公司推出的NJ系列的自动化控制器除了具有PLC的基本功能外，还具有高速、复杂、精密的运动控制功能；具有丰富的通信与网络功能，提供功能强大的自动化平台软件SYSMACSTUDIO。OMRON公司与教育部合作举办了第九届“OMRON杯”SYSMAC自动化控制应用设计大赛。本次大赛以模拟足球点球赛形式对机械手进行控制，如图1所示，通过对NJ系列控制器、FH视觉设备灵活运用，控制机械手快速移动到拦截位置，拦截目标球。我校团队热烈响应号召，在徐世许老师的指导下，根据大赛要求完成了编程和调试。图1二结构说明该系统主要包括NJ控制器、FH视觉传感器、NS触摸屏、伺服驱动器、两自由度并联机械手机构。如图2所示。图2（1）NJ控制器作为主控器，与其他从设备进行通信并控制其动作。NJ控制器程序分为五部分，如图3所示。图3HMI_CONTROL是触摸屏控制机械手解除抱闸和磁铁使能的程序；MOTION_ERR是处理错误的程序；ACTION_CONTROL是控制机械手运动的程序；HMI_ROBOT是在触摸屏上显示机械手运动模型和运动学反推算法的程序；ROBOT_RANGE是运动过程中检测机械手是否超出范围的程序。（2）FH视觉设备实时采集小球的位置坐标，并输出坐标给NJ控制器。视觉数据采集程序说明如下。图4程序为触发视觉相机每隔20MS进行一次拍照；图4图5程序为数据类型转换，将视觉发送的XY坐标的DINT数据，转成LREAL的数据格式；图5图6程序为将数据格式转换之后的视觉XY坐标与机械手的实际XY坐标匹配；图6图7程序为用堆栈收集视觉通道给出的数值；图7（3）NS触摸屏作为人机操作界面，可直接控制各设备动作。NS触摸屏程序包括运行界面和参数界面，如图8（运行界面）和图9（参数界面）所示。图8运行界面用于完成机械手运动前的准备工作包括解除电机左右抱闸、伺服锁定、定义原点、开启算法；可实时显示机械手运动模型轨迹，将机械手旋转角度，实时坐标显示出来；可通过（回原按钮）使机械手返回原点；可通过（复位按钮）清除错误。图9参数界面用于修改硬件的参数，包括小球半径、偏移量、球场宽度左、球场宽度右、机械手前端距离、击打板宽度、视觉零点距离、LT、LB、RT、RB、机械手X区间、机械手Y上限和机械手Y下限。三使用说明在运行界面按下，进行参数界面进行硬件参数的设定；设定完后按下，返回运行界面，然后按下，锁定伺服轴；依次按下，解除电机左右抱闸；按下，设置机械手初始位置即原点；按下，启动ROBOT运动学反推算法，可按住点动按钮上、下、左、右使机械手上下左右的点动来确认机械手动作正常，按下可以使机械手回到原点位置，按下，启动ROBOT自动防守功能。设计说明（含原理图、设计原理、设计方案等，字数不超过3000字）四设计原理根据大赛提供的程序模版，内含伺服锁定、轴组使能、定义原点、机械手运动正解和反解、视觉数据采集程序、点动、超限报错等程序，此处不再赘述，本次设计主要针对机械手的防守功能进行编程。根据小球运动轨迹分析如图10所示图10图10内红色虚线框为机械手活动范围，至为小球运动轨迹各情况。如图建立XY坐标系,分析如下球往右边发射，并发生了反射；球往右边发射，没发生发射，但防守点坐标超过了机械手的运动范围；球往右边发射，没发生发射，且防守点坐标在机械手的运动范围内；球垂直发射；、情况类似于、。五设计方案根据分析情况编写功能块（ST语言）。机械手防守时，机械手在Y（机械手前端距离机械手击打板宽度）的直线上左右运动，故只需求出相应X坐标即可。功能块编程思路1首先判断小球是否垂直射出，当垂直射出时，机械手防守点的X坐标为小球轨迹的X坐标；2当非垂直射出时，根据两点式直线方程（YY1）/Y2Y1XX1/X2X1，已知Y（机械手前端距离机械手击打板宽度），代入求出交点的X坐标。1当X坐标在球场宽度左右范围内时，即小球运动不发生反射，运动轨迹为、的某一种情况，再判断小球是否可运动到机械手运动限位位置，当不能到限位时，根据两点式直线方程（YY1）/Y2Y1XX1/X2X1,代入Y（机械手前端距离机械手击打板宽度），求出交点的X坐标，当X坐标不能到限位时，机械手防守点X坐标为求出的X坐标；当能到限位时，机械手防守点X坐标为机械手限位点X坐标。2当X超出球场宽度左右范围时，小球运动轨迹为、的某种情况，以轨迹为例说明先根据两点式直线方程（YY1）/Y2Y1XX1/X2X1，代入X球场宽度左，求出小球与球场宽度左的交点的Y坐标，再求出关于Y坐标所在直线的反射线上的两个对称点，再根据两点式直线方程公式求出反射轨迹的直线方程，代入Y（机械手前端距离机械手击打板宽度），求出交点的X坐标，当X坐标不能到限位时，机械手防守点X坐标为求出的X坐标；当能到限位时，机械手防守点X坐标为机械手限位点X坐标。作1作品功能完善。完成与视觉设备、触摸屏和伺服驱动器的通信。品特色通过编写轨迹跟踪功能块，可准确预判小球运动轨迹，控制机械手快速移动到防守位置。2人机界面操作方便。触摸屏可控制机械手完成运动，并可实时仿真出机械臂的运动位置。可靠灵