上下料机器人设计

1、上下料机器人设计摘要：主要介绍基于plc和机械结构的针对于自动化机床和工业梁用的机械人。简述了工业机械人的现状的发展现状及前景，及其主要的发展方向和用途。发达国家的使用经验表明：使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等关键词：机床上下料，自动化，plc，工业机器人机器人的自平衡控制系统机器人的自平衡系统在各行各业具有广泛的应用，而轮式移动自平衡机器人由于具有结构简单、可控性强、成本低等优点，成为移动式机器人研究的一个主要方向。自平衡机器人

2、采用水平布置的两轮结构，本身是一个不稳定体。也就是说，自平衡机器人在静止状态下，不能保持平衡，车体总是要向前或向后倾倒；而在运动状态下，可以通过一定的控制策略使它达到动态平衡一 。由于自平衡系统具有内在不稳定性和结构灵活性，国内外机器人爱好者设计了多种结构、外观各异的自平衡机器人，尝试采用各种控制策略使其达到自平衡控制。通常这类机器人采用姿态传感器检测机器人车体的倾倒角度和倾倒角速度，根据当前机器人姿态控制伺服电机驱动电压的转向和转速，从而使机器人保持平衡。该方式制作的自平衡机器人虽然控制性能良好，但成本高，不适合广泛推广。本文设计的机器人尝试采用红外测距传感器测量车体与地面的距离，通过计算获

3、取机器人的姿态信息，进而实现机器人的自平衡 。系统结构自平衡机器人系统主要由机械行走装置、控制系统和传感器3部分组成，机械行走装置主要由车体平台、电机驱动器、直流无刷电机、齿轮减速机构和车轮组成。机器人采用48 V电池供电，通过DC-DC模块转换为5 V和24 V 电压。其中，5 V提供给控制系统和传感器，24 V提供给电机驱动器。控制系统以ATmegal28单片机为主控制芯片，通过SJA1000扩展CAN总线与电机驱动器通信。红外测距传感器的输出是与距离成正比的模拟电压值，输入到单片机的AD采样端口进行处理从而得到距离信息。机器人的系统结构框图如图2所示。图2 机器人系统结构框图姿态信息获取

4、机器人的姿态信息包括倾倒的图3所示，机器人左右两侧水平位置各安装有1个红外测距传感器，可以测量与地面之间的距离d 和d 。当机器人在竖直状态时，左右传感器距离差为零。当机器人倾倒时，距离差与倾倒角度 成函数关系如下： 图3 传感器设置位置简图sin 0一(d2一d1)D其中，D为传感器之问的距离。机器人在竖直动态控制时倾倒角度范围较小，此时sin0-0，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。角速度可以通过 对时间求导获得。选用的红外测距传感器为Sharp公司的GP2D1 2，输出为0424 V的模拟信号，对应的测量距离为1O80 cm。在同一温度下，传感器的输出与测量结果呈良好的线性关系

5、，可以满足自平衡机器人的要求。3 控制系统设计31 机器人平衡控制原理当车体偏离平衡位置(竖直位置)向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进行计算和判断，车轮随之作出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；同样当车体向后倾斜时，车轮将向后运动。这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态过程中，使车体始终保持在平衡位置附近，达到一种动态平衡。32 控制系统硬件设计控制系统主芯片选用Atmel公司基于RISC结构的8位单片机ATmegal28。它采用低功耗CMOS工艺；具有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB的数据SRAM、l28 KB的程序Flash、可外扩至64 KB的E PROM 和8个1

6、O位ADC通道；拥有UART、SPI、I。C、JTAG接口，方便外部扩展和传感器的接入一 。321 传感信息输入电路传感器信号通过放大器引入，通过设置反馈电阻(R1和R2)和输出端电阻(R3和R4)的阻值可以使输入的电压值在要求的范围内。具体硬件电路如图4所示。322 扩展CAN通信电路单片机与电机控制器采用CAN e2,线通信，CAN接口采用Philips公司的CAN 物理层和链路层接口芯片SJA1000和PCA82C250。单片机直接控制SJA1000的ADOAD7、ALE、INT引脚。SJA1000工作在Intel模式下，MODE脚接高电平，片选脚CS接地，始终处于选通状态。扩展CAN通

7、信电路如图5所示。单片机对SJA1000的操作主要是对寄存器的操作：一方面，对SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断允许寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器、时钟分频计数器进行设置和检测；另一方面，对收发缓冲区进行读写，从而和CAN设备交换数据。图5 扩展CAN通信电路 控制系统软件设计自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定时器、AD转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等

8、。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到AD转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定时器、AD转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到AD转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID算法计算电机控制数据，并通过CAN 口输出给电机驱动器。速度PID控制算

9、法机器人采用经典的PID算法进行平衡控制。控制系统采用典型的双闭环控制结构和前馈控制方法。速度环路设计有利于提高电机输出速度精度。前馈控制主要是为了补偿电机转轴与车轮转动轴以及传动系统的间隙误差，这些误差是稳定的、可以测量的。当电机在正反转变换时，控制系统可以检测到变换方向，经过位置误差环节调整后把确定的偏差补偿量叠加到驱动主函数系统初始化CANH控制信号输出到电机驱动器器输出端。这样电机转动的角度在 图6 系统控制流程原理基础上增加了补偿量，机械误差得以修正。采用PID控制算法公式如下：“(忌)一 (忌一1)+ A“(是)Au(k)一KPP(愚)一e(k一1)+K1P( )+KdP(尼)一2

10、8(矗一1)+e(k一2)其中，“(惫)为当前调节器输出量；“( 一1)为上一次调节器输出量；Au(k)为当前控制增量； (愚)为当前控制误差量；为比例系数；KI为积分系数；K 为微分系数。PID控制算法流程如图7所示。图中，e为调试过程中设定的误差值。实 验利用该控制方法，对原理样机进行了多次实验。实验中，在机器人正上方水平位置安装陀螺仪，以采集机器人的倾倒角度数据。实际测量角度信息随时间变化的曲线如图8所示。通过测得数据分析可以看到，机器人大致可以稳定在0。附近，最大偏差为±2。 图8 机器人角度变化曲线基于plc的控制系统的设计数控机床上、下料机器人是油缸自动生产线上的专用机器

11、人, 其要完成卸料和装料动作, 并且要与数控机床、料架协调, 实现生产自动化。机器人为六自由度的关节式结构, 由液压驱动, 运行平稳, 工作力矩大。通过限位开关、压力继电器采集信号, 再由PLC 控制液压系统的电磁换向阀, 来控制机器人的动作和位置。由于可编程控制器具有抗干扰能力强、可靠性高、易于使用和维护等特点, 所以, 以PLC 为核心的这套控制系统运行非常稳定。1 控制系统的硬件设计机器人的操作控制面板如图1 所示。油泵电机的启/ 停及外部负载电源的通/ 断由总启动按钮和急停按钮控制, 手动调整或自动运行两种操作方式由转换开关(SA1) 选择。选择自动方式时, 按下启动按钮, 机器人自动

12、运行一个周期后停下; 选择手动方式时, 用转换开关(SA2)选择相应运动形式, 由启动( 正向) / 停止( 反向) 按钮分别控制其两个方向的运动。机器人电气系统采用限位开关(SQ1SQ8)作为位置检测信号, 从而实现准确定位。为了保证抓取工件时, 手指达到足够的夹紧力后才可运动,在夹紧油缸的液压回路中安装一压力继电器(SQ9), 作为压力检测信号。要保证机器人能准确地从料架上取到工件, 须有一料架位置正确检测开关(SQ10)和有无工件检测开关(SQ11)。系统的输出信号分别接各油缸的电磁换向阀电磁铁及原点指示灯。由于机器人为纯开关量逻辑控制, 所需I/O 点数为21/12, 各I/O 设备名

13、称及相应功能。系统的PLC 选用三菱公司生产的FXON40MR, 系统硬件接线图如图2 所示。为了保护PLC 输出继电器, 在电磁铁的两端各并联一阻容吸收电路, 防止在感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC 输出点及内部电源的冲击。 机器人的开关设计机器人有手动和自动两种工作方式, 由万能转换开关SA1 选择。在手动操作方式下, 各种动作都是用按钮控制来实现, 其控制程序可单独设计, 与自动工作方式控制程序相对独立。因此总程序设计成两段独立的部分: 自动操作程序和手动操作程序。当选择手动操作方式时, 输入点X015 接通, 其常闭X016 常闭触点闭合, 则跳过自动程序段。若选择

14、自动操作方式, 则跳过手动程序, 执行自动程序段。手动操作系统的设计手动操作主要用于检修调整, 通过按钮对机器人的每一步动作进行单独控制。例如, 当选择小臂伸/ 缩运动时, 按下启动按钮, 小臂伸出; 按下停止按钮, 小臂缩回。其它动作以此类推。这样, 其控制较简单, 可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。为了安全起见, 程序中需要设置联锁保护。例如, 只有大臂竖立时小臂才能上/ 下摆动, 因此小臂上/ 下摆动用大臂上限条件作为联锁保护。还有小臂处于上限位时, 才允许大臂上/下摆动; 小臂伸出时料架不能转位。另外, 由于大、小臂和手腕、手指的运动都采用双线圈三位电磁阀控制, 两个线圈不能

15、同时通电, 因此在其电路中设置互锁环节。自动操作程序设计在正常运行时, 机器人处于自动操作方式。数控机床在加工零件时, 机器人大臂竖立、小臂伸出并处于水平、手腕横移向右、手指松开, 即处于原始位置, 原点指示灯亮。加工完毕后, 按一下启动按钮SB1, 机器人动作顺序为: 原始位置( 大臂竖立、小臂水平且缩回、手腕横移向右、手指松开) 手指夹紧( 抓住卡盘上的工件) 手腕横移向左( 从卡盘上卸下工件) 小臂上摆大臂下摆手指松开( 将工件放在料架上) 小臂缩回料架转位小臂伸出手指夹紧( 抓住待加工的工件) 大臂上摆( 从料架上取走工件) 小臂下摆手腕横移向右( 把工件装到卡盘上) 手指松开( 原位

16、) 。机器人完成一个自动循环后处于原始位置, 然后数控机床开始加工。待加工完毕, 再按启动按钮, 机器人又重复上述动作。这是一个典型的按顺序动作的步进控制系统, 可用PLC 的步进指令编程。图3 为机器人的自动操作程序的状态转移图。3 此系统的设计特点用可编程控制器设计的机器人电气控制系统, 线路简单,系统的可靠性高, 功能强, 整个系统运行稳定、精确, 同时还可根据需要对其进行功能扩展。典型机器人的自用度极其结构特点并联机器人以其承载能力大、刚度大、精度高和适于在线控制等串联机器人无法企及的优点成为机器人学研究的热点早期国内外对并联机器人的研究主要集中在6自由度和3自由度并联机器人，但是在相

17、当多的场合，如飞行模拟器和并联机床等等，需要的是多于3自由度而又不必用到复杂的6自由度，因此，4自由度并联机器人的研究有着广泛的应用前景目前，4自由度并联机器人基本上采用的是非对称结构，非对称结构会导致非对称的工作空间，从而使设计制造和任务规划的复杂性增加Fang和Tsai提出了多种结构对称的4自由度并联机器人机构，这些机构都是过约束的，采用传统的机构学理论不能够正确计算这些机构的自由度数目及性质应用螺旋理论分析了多自由度并联机器人机构，所提出的方法不但能够正确分析机构的自由度数目，而且还可以确定各自由度的性质，即各自由度所对应的运动特性，并为这种机构的进一步分析研究和应用提供了理论基础1 4

18、一RRCR并联机器人机构的结构特点新型的4一RRCR是由4个结构相同的支链分别连接动平台和固定平台而组成的，每条支链由3个转动副R和1个圆柱副C所组成，并按RRCR的顺序自固定平台到动平台依次串联而成，如图1所示图1中，代表第i条支链的第J个运动副轴线的方向矢量，它们在空间方位上满足s 平行s s 。位于同一平面上，sll和s3l平行，s2l和s4l平行，s Si4和s 5在机构的运动过程中始终相交于0点，其中s3和s4分别表示圆柱副C的转动副轴线的方向矢量和移动副轴线的方向矢量，s3和s4都与s 。垂直相交11 基于螺旋理论的机构自由度分析螺旋$=(s；s0)由两个矢量对偶组成，也可用PlU

19、cker坐标表示为$=(L，M ，N；P，Q，R)，(L，M ，N)和(P，Q，R)分别代表了矢量s和矢量s0这里，s代表空间一个矢量，称为对偶矢量原部；s0=s0+hs表示了该矢量在空间的位置，其中s0= s0×s称为对偶矢量的对偶部，是由原点至该空间矢量任一点的矢径，h=s·s0(s·s)称为螺旋的节距，是原点不变量当h=0时，螺旋退化为线矢量，当h=OO时，螺旋退化为自由矢量，也称为偶量，其在空间只有方向而，并联机器人没有位置的概念机构的所有运动副都可以用移动副和转动副单独表示或者组合而成，而移动副和转动副则可分别用移动速度偶量和角速度线矢量来表示当两螺旋$

20、和$ 满足$ 。$ =0时，则称$r为$的反螺旋，同样$r亦为$ 的反螺旋，它们是互逆的其中“。”表示两个螺旋作互易积对于运动螺旋来说，它的反螺旋为力螺旋，代表着该螺旋所受到的力约束对于一个空间 阶螺旋系$ (k=1 ， 6， 个螺旋均线性无关)，对应有6一 阶的反螺旋系$ (m=16一 )$ 和$ 之间应满足$ 。$ =0 (1)当给定一个螺旋系以后，通过式(1)可求解出对应的反螺旋系当该反螺旋系代表着机器人运动平台的约束力螺旋系时，动平台的自由度数目为F = 6一C (2)式中，C代表约束力螺旋系的秩4一RRCR总共有4条结构相同的支链，每条支链由5个运动副组成为研究方便，支链的运动螺旋系

21、用矩阵Ti=$ 表示与支链i的运动螺旋系对应的反螺旋为约束力螺旋，用$ 表示因此，运动平台受到的约束力螺旋系用矩阵W =$ l$r2$r3$l4表示通过建立各支链的 ，可由式(1)求得对应的$ 进而得到w计算C=Rank(W)，由式(2)便可得到动平台的F机器人运动螺旋系的建立建立如图1所示的坐标系，其中坐标原点ol在$ll的轴线上， 轴和Y轴在基平面上， 轴与sll位于同一直线方向上，O点坐标为(z，Y， )，矢量，代表矢量OO首先建立支链1各运动副所组成的运动螺旋系$tj=(sl ；，l ×sl )这里，(LIj，Ml ，NIj)和 (PIj，Ql ，RlJ)分别表示运动螺旋系$

22、lj的轴线方向矢量和轴线线矩矢量；$11过原点，因此rll：0；s12与sl3垂直相交，因此两矢量的点积为零；$13和s15均过0点，因此rl3=rl5=r同理可以建立其余3个支链的运动螺旋系如下：支链2($2j ) $21=(0，1，0；0，0，R21)；$22=(0，1，0；P22，0，R22)；$23=(L23，0，N23；yN23，zL23，一 23)；$24：(0，0，0；P24，0，R24)；$25=(L25，M25，N25； 25一zM25，zL25一xN25，xM25一 25)支链3($3j) $31=(1，0，0；0，0，R31)；$32=(1，0，0；0，Q32，R32)；

23、$33：(0，M33，N33；sN33，xN33)；$34=(0，0，0；0，Q34，R34)；$35=(L35，M3s，N35；yN35-zm35，zL35一xN35， 5一止35)支链4($4j) $41=(0，1，0；0，0，R41)；$42=(0，1，0；P42，0，R42)；$43=(L43，0，N43；SN43，-xN43+43，-43)；$44：(0，0，0；P44，0，R44)；$45=(L45，M45，N45；yN45-45， 45一xN4545)13 4一RRCR并联机器人反螺旋系的建立给定一个螺旋系，其反螺旋都可以由式(1)计算得到根据所建立支链的 ，由式(1)便可得到对

24、应的$ 令$ =(s ；s )=(s r ×s +h ri$ )=(L M N ；P Q R )取支链1的T1，将其坐标代人式(1)中，得可以看出，式(8)的系数矩阵为组成支链1的运动螺旋系坐标组合，该系数矩阵的秩为5，从而可知支链1的运动螺旋系之间是彼此线性无关的因此，由线性代数的理论可知，式(8)解出的基础解系为，任一个都可以表示为$ 】：t$ ，(t=1，2，3)同理，分别代入支链2、支链3、支链4的运动螺旋系坐标，可以得到4个支链的力螺旋基础解系：$b= (1，0，0；0，2，一 )，$b2=(0，1，0；一2，0， )，$b3=(1，0，0；0，2，一 )，$b4=(0，1

25、，0；一2，0，z)对上述力螺旋进行分析，可以得出以下结论：(1)所有的力螺旋的轴线矢量与所选坐标参数无关，轴线矢量的第3项代表螺旋轴线与 轴的方向余弦，因为都为0，即均与2轴垂直，都平行于 平面；(2)因为s 与 的点积均为0，故所有的力螺旋均为线矢量，因此h =0；(3)因为所有力螺旋均满足r× f=s0 故均过点O(z，y，2)；(4)反螺旋系W 的C=2，这也可以从螺旋理论得到，因为对于任意平面汇交的线矢量，其最大线性无关数为2因此，根据式(2)，可以得到动平台的运动自由度数目为414 动平台自由度性质分析自由度的性质，即该自由度的种类(如转动自由度、移动自由度等等)及其进一

26、步的描述(如转动自由度的转轴描述、移动自由度的移动轴描述等等)如前所述，互为反螺旋的两个螺旋分别代表物体的运动螺旋和力螺旋，则互易积就是力螺旋对运动螺旋所作的功互易积为零，则力螺旋对运动螺旋作的功为零，此力螺旋必为物体的约束反力因此，反螺旋反映了物体被约束的运动和物体为约束所允许的运动，这样，通过对反螺旋的分析就可以知道运动平台的哪些运动为约束所允许，哪些运动受到约束(1)平动自由度的分析从上面对动平台的力螺旋分析可知，动平台上所受到的4个力螺旋、$r2、$r3和$ 在同一个与静平台平行的平面上，并且相交于O点对于动平台沿2轴的移动，因为与xy平面正交，即力螺旋与沿2轴移动的运动螺旋是相互垂直

27、的，做功为零，因此这个方向的移动是为力螺旋约束所允许的而沿平行xy平面的平动均可以分解为沿相互正交的力螺旋$rl，$r2方向，此时力螺旋对这类移动做功不为零，这些运动都将被力螺旋所约束掉，即动平台没有沿平行xy平面的平动自由度(2)转动自由度的分析 因为螺旋之间线性相关与否与坐标系的选择无关n，因此移动坐标系到如图2所示的坐标系此时$ 1=(S r1；s Ul )=(1，0，0；0，0，0)，$r2=(sr2；so2)=(0，1，0；0，0，0)假设空间任一线矢量$ ：(Sz；r ×S )=(L ，M ，N ，P ，Q。，R )为动平台的某一个转动轴的线矢量，且该转动是为力螺旋约束所

28、允许的动平台绕轴线$ 转动时，动平台上过原点沿s 1和sr2直线方向上所有点的任何位移被约束，即对于$ ，如果r ×S -$rl0或者r ×S ·St20，那么这个转动是被约束的因此，对于空间任一能够为力螺旋约束所允许的转动轴线$ ，必将满足r ×S ·S r1=0， r ×Sz·Sr2：0 (9)同时，由于$ 为线矢量，故有s： r：×s：=L：P：+M：Qz+N：R：=0，代人各自的坐标计算可得P =0， Q =0， N R =0 (10)机器人的机械结构设计机器人的工作任务要求工作任务要求该机器人在同一平面内

29、的三个矩形区域内(如图l所示)的任意位置可拿起和放下物体。标准物体为 OII衄，高100mm的圆柱体，在平面上立式放置，材料为45钢。机器人的结构型式任务要求该机器人在 个固定平面的三个区域内拿起和放置物体，所以，可采用水平关节式机器人。有大、小两个臂，腰和肘此，这两个自由度要随时控制。为了方便，采用自身带有减速器的伺服电机驱动；而手爪夹蘩松开和上下移动这两个自由度，则可由开关量控翘，采用气缸驱动。考虑到三个可达区域具有一定的对称性并且三个区域的尺寸相同。故将对称中心0点作为腰转中心。因此，可初步确定该机器人的结构型式，如图2所示。臂长的确定大臂和小臂的长度L1 和L2 是两个关键尺寸。合理的

30、取值会降低机器人的转动惯量从而提高机器人的回转速度，节约能量消耗，又使机器人外形美观、匀称。臂长的确定，可以采用优化设计方法。确定优化目标(如能量消耗最小、回转角之和最小等)后，以臂长L1 和L2 为设计变量，再确定并建立约束函数，就可以采用合适的优化设计方法进行优化设计。在目标函数取得最小值的同时，得到设计变量I和 的最优化值。关于该机器人臂长的优化设计，本文作者有另文叙述，在此不再赘述。本文采用的则是一种比较实际的方法，即先由经验和任务要求选取合理尺寸，再进行验证，如果三个区域的任意位置都可到达，就取定该尺寸；不满足则进行适当修改，再进行验证 这实际上是一种经验设计法。经验设计法最大优点最

31、选取的尺寸往疰比较切合实际，不至于有太大的偏离。某一可达区域的角点A是最远点OA=两个臂都不能短于500mm2=250mm即1060mm> ，k >250ram。另外当机器人末端达到最远点时机器人的肘关节应基本上处在180角，为了保证有一定的回旋余地，可比l8 略小，即L十 OA=IWoOrm-n。从节约能耗方面考虑，应使大臂短于小臂，而从任务要求来看，两臂长度应比较接近才合理，故初步取定L ：500ram，L2=600rrma。经过编制计算机程序并上机验证，结果证明该长度值能保证机器人末端达到三个区域的任意位置。手爪的结构形式及关键尺寸计算为使手爪的结构简单实用，又能获得较大的夹

32、持力，因而采用了如图3所示的双支点结构形式。两半手爪的回转中心的距离与被夹持物体的回转直径相等。从结构上显然可以看出，当 O0 o2=90时，气缸的力传递最好，此时在手爪上获得最大的转矩M=F·I1：M ·L2。l2的长度要尽可能短，为给被夹物体留出足够的空间和满足回转轴的结构尺寸要求，取 =7Onmi，I1=40mmI3的取值主要受0角的限制，当0角接近90时R从N转化面来的力量最大，此时b为25rm'n。但这是极限值，考虑到实际结构，取I3=30nnn被夹物体的质量m=4 x x100x 7、81000=153kg、B=mtetg43arc*in2550=831

33、3。取摩擦系数f=O1假设手爪夹持物体后，向上移动的最大加速度mn =5r s2，则可以列出如下公式。rm(G+m )2Nr·f最后，将各有关值代人计算出得46.79n该机器人及手爪在结构上主要有以下特点：腰部回转电机及减速器采用了倒置的形式，减小了其在铅垂方向的高度，又合理利用了腰部下面的空问；大臂及小臂值得注意的是，我们似乎在这里看到把摹同控制器处理带有微分环节的系统，而该环节具有超前相位特性；实际上，由。z<0，He(s)仍是一个滞后环节，这可以l田它的Bode图看出而出现s和s2的项只是数学上的近似结果主要用来研究采样频率附近及采样频率以下的系统特性。4 整单周控瓤丘克

34、变换器将控制器环节加入丘克电路的小信号流图，便能得到完整的单周控制丘克变换器的小信号模型(圉6)。通过类似的模型，可以艇释系统的谐渡现象见3，而且，使高频段理论更加接近实验结果。图7是对应的频率响应。可以看出，单周控制的丘克电路具有很好的稳定性能。) 的截面都采用了倒u字形的结构，在下面又增加了一个较薄的盖板便于维护，又减轻了臂部的重量； 手爪与小臂末端的连接采用了上凸的盖板形式。整个手爪可以从下面取出和装入，便于手爪的快速更换； 换上不同的手爪后，可以完成其它的工作任务，因此，该机器人具有一定的通用性 码垛机器人分布式控制结构微型计算机需要完成各种运算，如轨迹控制的插补运算、坐标变换和伺服系

35、统中补偿量的计算等。这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时计算，通常需在515ms内完成，要在一台微型计算机上实现是困难的。除了在算法、软件编制上注意采取减少运算时间的措施外，在控制方式上，将计算分散于多台微处理器上进行。因此在结构上采用分布式结构的两级微型计算机控制系统，如图1所示第一级为主控计算机(1 主CPU)它负责系统的监控和作业管理。主要完成系统控制操作台与示教盒控制，显示服务，坐标转换，提前点计算插补计算，自动加减速计算，系统自诊断，IO控制，机器人语言编译等任务。l 主CPU 根据操作者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标变换，计算出各轴电机的位置设定值序列。同时

36、它还要接收并根据下一级的反馈信号和外传感器的信号判断任务的执行情况和环境状态，然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值，实现对各关节运动的协调和控制作用第二级为伺服控制计算机及交流伺服驱动装置，主要负责机器人运动控制。各从计算机根据主控计算机送来的各关节位置指令，进行关节插补，得到新的关节量。同时，不断地读取各轴编码器的脉冲量，计算机器人的现行位置。并用软件方法与给定位置进行比较，对偏差进行PID调节。伺服控制计算机实现对各关节的数字位置伺服控制，其输出经DA变换后，作为交流伺服驱动装置的速度设定值控制机器人本体运行。两级计算机的通讯，由程序控制两级计算机之间的并行口，实

37、现两级间的通讯。各从计算机用中断方式向主控计算机报告各关节当前位置，主控计算机用查询方式判明各关节是否完成要求的位置伺服值，然后再向各从计算机送出各关节新位置的设定数据及其它数据。码垛机器人控制器功能机器人在运动的时候，有许多外来干扰作用在机器人的各个关节处，例如由离心力、哥式力、重力等带来的干扰力矩和干扰力。另外，围绕关节轴的惯性力矩的大小也随时间而变化。由于存在这些外来干扰，如果还是采用固定模式的和缺乏抗干扰能力的伺服控制系统的话，那么机器人系统就很难产生高速和高精度的动态响应。为了适应时刻变化的对象，必须使伺服系统的动作具有某种柔性，这种柔性是通过计算机程序来实现的，故称为软伺服(sof

38、tware servo)。软伺服的基本原理是采用反馈控制和采样控制方式。在某一时刻，采集机器人的位置与速度等信息，然后对这些信息进行运算处理，在下一时刻输出运算处理结果。码垛机器人系统的功能框图如图2所示，其中虚线框内的内容表示机器人控制器应具备的功能。 软伺服的实现方法作业点示教通过示教盒对机器人的位置进行示教。它把示教的整个动作序列和轨迹点位置数据存人存储器，并以程序形式记忆下来。工作时执行上与机器人控制器以串行通信方式进行信息交互。轨迹生成为了生成机器人的运动轨迹，在轨迹生成这一部分中求出在某一时刻，安装在机器人各关节处电机的旋转角度、速度和加速度等目标值。码垛机器人运动轨迹的生成原理如

39、图3所示。在图中把计算方法分成为轨迹计算法1和轨迹计算法2_2。a轨迹计算法1。图3中的输入q (位置、速度、时间)是对作业点示教中用机器人语言描述的机器人动作进行解释的结果，包括用作业环境直角坐标(绝对坐标系)表示的目标位置，和向目标位置靠近的理想速度，以及接近目标的跟踪类型(CP型或PTP型)等。把输入q 从绝对坐标系变换为机器人本身的坐标系(基座坐标系)的各分量X ，y ，Z ，接着求出用基座坐标系表示的随时间变化的轨迹。即根据机器人语言形式给出的指令速度以及当前位置到目标位置的距离，求出每一时刻的控制量，形成图2中所示的时间序列数据。b轨迹计算法2。这一部分主要进行各种数据的变换。在加

40、速和减速时的速度变化曲线的基础上，把每一个采样时间7 时刻机器人的位置设定值、速度和加速度的时间序列数据变换为安装在机器人各关节处电机的旋转角。旋转角速度和旋转角加速度，即进行坐标的逆变换，求逆运动学反解。一般来说，机器人的机械系统存在2O50Hz的固有振动频率(= )，为了避免与机器人的机械系统产生共振，采样时问问隔Tn <Tm10，这样应在15ms范围之内。但是，在必须考虑硬件成本的前提下，在15ms的时间内，完成浮点运算的坐标逆变换和伺服处理是不大可能的。所以还需要利用插补运算方法，进行配合来解决与运算速度之间存在的矛盾。即对采样时问间隔Ts的相邻两点之间的轨迹再进行一次分割，把这

41、相邻两点之间的轨迹分成若干个点，然后用轨迹计算法2求每一个点的目标值，使得机器人的运动在这两点之间是平滑的，从而使机器人以适当的速度和加速度沿着平滑的位置曲线轨迹进行移动。上述的运算都是用浮点运算法在各从CPU 中进行的。伺服控制把轨迹生成部分输出的控制量作为指令值，再把这个指令值与位置等传感器送来的信号由各从CPU进行比较，用比较后的指令值，控制各伺服电机转动，其中应用了软伺服。在软伺服中，对位置与速度的控制是同时进行的。伺服控制部分接受通过插补运算得到的各种目标值，遵循一定的原则，形成控制电机的电流指令值。在这个过程中必须对当前的各个关节转动的角度值和角速度值进行检测。用软件方法对设定的目

42、标值和从码盘采集的当前位置反馈信号进行比较，对偏差进行PID调节，得到的控制量经DA转换和初级放大后，作为各关节交流伺服驱动装置的速度设定，再将速度设定值与速度反馈值比较，送至速度调节器，同样将得到的控制量送到电流环。角度值可用编码器等位置传感器进行检测。角速度值用安装在机器人各个关节电机上的测速发电机等速度传感器进行检测，也可通过对位置传感器检测到的信号进行微分运算求出角速度值。伺服控制部分的各种运算在15ms的采样时问问隔内完成，仍是有困难的，故还需进行插补运算来配合，然后对各个关节进行控制。34 电流控制电流控制方块接受从伺服系统来的电流指令，对实际流过电机的电流值进行检测和监控流经电机

43、的电流大小，保证电机按照来自伺服控制部分的电流指令值进行旋转运动，检测和监控一般都采用模拟方式。码垛机器人的四个关节都是使用交流伺服电动机驱动，其交流伺服驱动装置有模拟量的速度调节器、带有脉宽调制(PWM)控制的电流调节器构成反馈控制的内环数字位置调节器为外环组成，如图4虚线框内部分。码垛机器人每次作业前先要整体回零，以校准各关节的零位，作为轨迹规划及控制的基准。针对码垛机器人的回零特点及通讯方式，伺服控制又分零位、位置和终点伺服3种。零位伺服：码垛机器人的回零动作是串行的。当某关节回零完毕而其它关节尚未回零、或都已回零完毕而等待主控计算机传送位置设定值时，则运行零位伺服程序；位置伺服：位置伺

44、服计算机接受主控计算机传来的位置设定值后，则运行位置伺服程序。对每一点位置的设定值，伺服3个采样周期，每个伺服有4个点向主控汁算机报告一次当前位置。当一次传送的所有设定值都伺服完时，向主控计算机报告并转去执行终点伺服程序；终点伺服是当前位置伺服完成最后一点的伺服计算后，将这一点的设定值保存起来，并以这个值进行随后的伺服动作。码垛机器人采用工业控制计算机作为主控计算机，伺服系统采用8952单片机。实现了PID控制算法，接收、处理多种信号，形成所需的控制指令，达到由主控计算机协调各关节的运动，准确地跟踪轨迹规划所给定的空间轨迹，使速度完全可控，避免出现死区。本控制系统的控制算法正确、可行。多传感器

45、上下料机器人的控制系统设计在现代化生产线上的多传感器空瓶检测机器人，负责对进行灌装前的空瓶质量进行检测。由于是在线检测，对检测速度有很高的要求，需要控制多个不同的传感器，所以对控制系统性能提出了很高的要求。根据以上分析，本文提出了一种由工控机进行上层监控和通讯，PLC进行底层控制的控制系统来完成多传感器检测机器人的控制任务。1 控制系统的基本结构系统的基本结构如图1。检测机器人的运行状态分为调试状态和正常工作状态。检测机器人处于正常工作状态时，控制系统的工作流程为PLC通过光电传感器和编码器获取检测对象的精确位置，当检测对象到达检测位时，通知图像采集系统启动CCD摄像机对其进行拍摄。将拍摄的图

46、像数据传输给专门的信息处理系统去处理。得出空瓶质量是否合格的结果后通知PLC。PLc再控制击出器在不合格产品到达击出位置时将其击出。在调试运行状态时，系统能在主控计算机的监督下，按要求分别对各个光电传感器，图像采集子系统，击出器等进行静态的调试，以使各个设备能处于系统需要的正常状态。至于检测机器人的传送系统则由变频器控制，具体启动，停止等控制以及速度的设定由工控机管理。传动系统的控制多传感器检测机器人的传动系统由交流电机驱动，使用变频器来控制。由于在一般情况下检测机器人的传动系统是以恒定速度运行，而且因为使用了光电传感器和编码器来检测对象位置，与传动系统的运行速度无关，所以无需复杂的控制策略，

47、主要是由工控机按要求启动和停止变频器，并相应调整变频器频率，从而控制传动系统运行速度即可。变频器可以选用西门子MICROMASTER 420，该系列变频器运行可靠、功能完善，易于安装和调试，既可适用于简单的电动机控制也可用于更高级的电动机控制系统。而且该系列变频器具有串行接口，可以通过485总线与PC机进行通讯。因为工控机上的串行接口是232模式的，所以工控机为了和变频器通讯，需要使用一个232转485的转接器。在通讯时，两者间采用的是半双工模式。MICROMASTER 420变频器的通讯协议是USS协议。协议中的报文结构如下：其中ST×区内容为02hex，代表一条信息的开始；LGE

48、区为一个字节，内容表示信息的长度；ADR区是一个字节，表示变频器的地址；BCC 区内容是校验和，采用异或方式，长度为一个字节。报文中的数据区分为两个部分，即PKW 区(参数识别ID一数值区)和PZD区(过程数据区)。PKW区用于对变频器参数的处理，本文没有涉及到这方面的操作，所以不再详细讨论。下面主要介绍PZD区的使用。PZD区一般为两个字长，分为主站到变频器和变频器应答主站两种。其中主站到变频器的任务报文第一个字是变频器控制字STVv，第二个字是主设定值HSW。其中s1、字各位的含义如表1所示。HSW 字是主频率设定值，用来设定变频器主频率。根据参数P20o9的设置，可以采用两种不同的方式。

49、当P20o9=0时，数值用16进制方式发送，并规格化为P2000设定的频率，即实际输出频率=(HSW )xP2OoO中额定频率16384。而当P2009=1时数值是以绝对十进制数的形式发送。从变频器到主站的应答报文也是两个字，分别为变频器的状态字ZSW 和变频器参数实际值HlW。当变频器接收到主站的任务报文后，会将变频器的状态经由应答报文告知主站。在实际进行通讯前，需要先设定好变频器的几个参数。设定参数P00o3=2或3，以便访问第二级或第三级参数；设定参数P2010， 使变频器的波特率与主机波特率相同； 设定参数P2011，规定变频器的通讯地址；设定参数P0700和P1Oo0，使主站能够通过

50、USS协议控制变频器及发送主设定值给变频器。在工控机上可以使用MicrosoE的ActiveX控件MSComm 来编写串口通讯程序。MSComm控件功能强大，但使用起来确并不复杂。MSComm封装了2O多个与通讯有关的属性，其中比较常用的有如下几个：CommPort属性：设置并返回通信端口号；Seings属性：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位；PolOpen属性：设置并返回通信端El的状态，也可以打开和关闭端El；Input属性：返回并删除接收缓冲区的数据流；Output属性：向传输缓冲区写一个数据串；CommEvent属性：用于反映通讯中出现的事件或错误的类型。同时M

51、SComm控件还有一个事件OnComm，当通讯中出现事件或错误时会触发该事件。利用以上的属性和事件，可以很方便地编写出根据USS协议与变频器通讯，从而控制变频器运行的程序来。3 PLc的底层控制在系统中PLC主要负责底层控制，它通过lO 口与光电传感器，编码器，击出器，图像采集子系统等相连，通过图像采集子系统控制CCD摄像机的拍摄以及直接控制击出器的动作。同时PLC通过485总线与工控机连接，接收工控机传来的控制信息和系统参数等。在检测机器人运行过程中，PLC负责准确地通知图像采集子系统启动CCD摄像机，抓拍处于拍摄位置的空瓶。为了达到这一目的，需要使用光电传感器来检测空瓶的位置。在系统中使用

52、了反射式光电传感器，这种光电传感器在没有接收到从反光板反射回来的光束时，就会输出触发信号。将光电传感器安装到CCD摄像机拍摄位置旁，安装高度为瓶颈高度，把输出接到PLC 的lO输人El上。当没有空瓶经过时，光电传感器可以接收到反射光束，没有输出信号，而当有空瓶经过时，瓶颈挡住了光束，光电传感器无法接收到返回的光束，于是输出触发信号。PLC从输人El接收到此信号后，即可判定空瓶已到达拍摄位置，从lO输出El输出启动信号给CCD摄像机，摄像机及时进行拍摄，获取被检空瓶的图像。在专门的信息处理模块对获取的图像信息进行分析处理后，得出空瓶质量是否合格的结论。如果不合格，主控的工控机就会通过485总线发

53、出控制命令，要求PLc控制击出器击出该空瓶。PLC在接到击出命令后，需要标定不合格空瓶，并追踪其位置，当不合格空瓶到达击出器所在位置时控制击器动作，击出空瓶。在空瓶检测机器人中使用一个编码器与驱动传送带的电机相连，当电机转动时，编码器相应发出脉冲。计算脉冲的数目，即可知道传送带运动的距离。这样一来，如果能测出不合格空瓶要运动多长距离才到达击出位置就能准确击出空瓶。可以在事先把编码器的脉冲输出与PLC的IO输入El相连。然后在传送带上放一空瓶，让其依次经过检测位置和击出位置，PLC使用计数器记下此过程中脉冲的数目，这一数值d即对应着检测位置和击出位置之间的距离。PLC控制击出器的程序流程图如图2

54、。其中使用多个计数器是考虑到：在不合格空瓶从检测位置移动到击出位置这段时间中，有可能又检测出其他不合格空瓶。计数器的数量应为从检测位置到击出位置间最多可能存在的空瓶数。其中距离计数器的计数值D为事先测好的值d减去移动半个瓶身时编码器输出的脉冲数d。而窗口计数器的计数值K则为移动整个瓶身时编码器输出的脉冲数。这样做是因为空瓶在传送带运动过程中，可能在传送带上发生一些相对位移，导致实际移动的距离和传送带移动的距离并不相同。当在窗口计数器计数过程中，有空瓶经过击出器旁的光电传感器，光电传感器发出触发信号时，PLC就可以认为不合格空瓶已达到击出位置，发出击出器动作命令其他机器人的基本设计 型材上下料机

55、器人主体结构的设计原理根据型材加工设备加工范围和技术特征，型材上下料机器人应满足下述主要技术指标： 操作型钢范围：球扁钢、扁钢、等边角钢、不等边角钢、T型钢； 操作型钢最大长度：12m； 操作型钢线形：直线、曲线 活动工作空间X×Y×Z(长×宽×高)：60m X 6m × (07 2)m ； 搬运最大尺寸的型钢计算重量：约600kg(以12m 长T 型材为例：上10mm×400mm20mm × 125mm)： 定位精度；±lmm。上述技术指标具有如下所述的几个技术特征： 机器人工作的三维空间大，运动距离长，跨度大；

56、 搬运物体质重、型长； 加工型材的机械加工面为一平面，机械手可平面定位，但非直线； 定位精度要求不高。综合上述特征，作者在最广泛使用的工业机器人的几种坐标系(直角坐标系、圆柱坐标系、球面坐标系、关节坐标系)中，选用直角坐标系作为构造型材上下料机器人主体结构的理论依据。其优点为： 结构简单； 编程容易； 若采用直线滚动导轨，速度高、定位精度高； 在X、y和Z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，较容易控制； 活动范围大。直角坐标系机器人至少有三个自由度。为了搬运曲线型材，其机械手的手指定位需增加一个绕Z轴旋转的自由度，因而设计为四个自由度。考虑到型材弯曲机、切割机和焊接机自动上下料机器人(见图1，

57、图2，图3)操作的对象是重型超长型材，为使型材搬运在立体空间平稳地平移，运行轨迹光顺平滑，使型材在长度方向的各个质点均受到电磁力的约束，避免产生振荡，故其设计应由下述部分组成： 双固定导轨1(本例设为X轴，长为60m，见图1)； 多门架(本例设为四门架：2A，2B，2C，2D，见图1)，跨度为6m，跨度方向设为y轴； 行走传动机构7(由于定位精度要求不高，采用齿轮齿条传动，见图2)； 提升机械手：3A，3B，3C，3D，见图1(本例提升高度设为6m，提升方向设为z轴)； 具有光学视觉定位功能的电脑装置8，见图2。图1 型材上下料机器人的俯视图型材上下料机器人搬运的有效面积接近船体车间行车的工作

58、区域，所以它能很好地利用车间的空间。它可根据操作对象的长短确定采用多至四门架(一主动2A，三从动2B，2C，2D)，少到一门架(一主动2A)。门架与门架由左右侧推拉杠4A1，4A2，4B1，4B2)联动，门架与推拉杠连接靠电磁离合器(5A，5B，5C)离合，因而它们之间相对间距可调。挂在每个门架上的提升机械手3可随门架横梁2在直角坐标系里作三维运动，机械手三个手指(12，15，13)中每个手指的末端连接一电磁铁吸附块(11，10，14)，第一手指12与第三手指13可绕Z轴旋转，满足型材弯曲机9加工成型后的曲线零件6搬运要求。具有光学视觉(8)定位功能的电脑装置，可根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令来进行离线处理。在线根据鼠标点击操作台显示器上的车间