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1、四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設計一、四自由度碼垛機器人簡介隨著科技工業(yè)自動化的發(fā)展,很多輕工業(yè)都相繼通過自動化流水線作業(yè).尤其是食品工廠,后道包裝機械作業(yè)使用一些成套設備不僅效率提高幾十倍,生產(chǎn)成本也降低了。其中四自由度碼垛機器人每天自動對1000箱食品進行托盤處理，這些碼垛機器人夜以繼日地工作，從不要求增加工資。碼垛機器人的應用越來越廣。碼垛機器人配備有特殊定制設計的多功能抓取器，不管包裝箱尺寸或重量如何，機器人都可以使用真空吸盤牢固地夾持和傳送包裝箱。如圖1所示，四自由度碼垛機器人本體由腰部、大臂、小臂、腕部組成。腰部大臂小臂腕部圖1 碼垛機器人簡圖請預覽后下載！如圖2所示，碼垛機器人具有獨

2、特的線性執(zhí)行機構，使其保證了手部在水平與垂直方向的平行移動。無耦合垂直線性運動 無耦合水平線性運動圖2 碼垛機器人的線性執(zhí)行機構運動示意圖此四自由度碼垛機器人的應用案例如圖3所示。具有示教作業(yè)簡單,現(xiàn)場操作簡便。只需對抓取點與放置點進行示教,最優(yōu)軌跡規(guī)劃自動由控制器生成。圖3 碼垛機器人的應用案例請預覽后下載！二、四自由度碼垛機器人控制要求及其控制方案1、控制要求如圖1所示，四自由度碼垛機器人的運動主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驅(qū)動電機實現(xiàn)。在此均采用松下A5伺服電機；抓取部件等其他輔助運動采用氣動，由電磁閥動作來控制抓取部件的動作。四自由度碼垛機器人的運動控制系統(tǒng)主要包括感知部分、硬件部

3、分和軟件部分，其運動控制系統(tǒng)的主要任務是要控制此機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡以及作業(yè)流程等。此外，還要求：1）防碰撞檢測和在線編程控制,可以進行離線仿真；2）人機界面友善、高度可靠作性和安全性；3）便攜式觸摸屏示教器、全中文界面；4）利用使能開關雙電路設計使在緊急狀態(tài)下自動切斷伺服動作，從而保證安全。2、控制方案控制方案1：基于PLC的運動控制方案基于PLC的機器人運動控制系統(tǒng)，一般利用觸摸屏進行人機交互。在觸摸屏上的人機界面，由組態(tài)軟件編寫人機操作界面實現(xiàn)人機交互；PLC則通過I/O模塊與碼垛機器人以及現(xiàn)場設備通信并實現(xiàn)控制，通過接受PLC的控制命令，實現(xiàn)機器人及其周邊、物流設備

4、的啟停與協(xié)調(diào)，同時將碼垛機器人及其周邊、物流設備的運行狀態(tài)返回給PLC?？刂品桨?：基于嵌入式PC的運動控制方案請預覽后下載！基于嵌入式PC的運動控制模式，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化，同時又兼具開放性,可通過調(diào)用驅(qū)動器的基本功能函數(shù)在嵌入式PC上編程來實現(xiàn)機器人的復雜控制算法。圖中運動控制器實現(xiàn)對電機的基本控制,包括插補,控制加減速等。嵌入式PC主要完成對運動控制器的控制,實現(xiàn)復雜的運動控制算法和人機界面。碼垛機器人軸數(shù)：4軸（即4個伺服電機，分別是3個750W，型號MSMJ082G1U，一個400w，型號MSMJ042G1U）伺服系統(tǒng)選擇日本松下A5系列電機和配套驅(qū)動器。工控機選用工業(yè)以太網(wǎng)口嵌入

5、式工控機。控制軟件系統(tǒng)整體需求：首先需要實現(xiàn)的機器人在運動空間內(nèi)實現(xiàn)單關節(jié),單電機驅(qū)動,也就是能夠?qū)崿F(xiàn)關節(jié)空間的單軸運動；同時還需要實現(xiàn)在笛卡爾坐標系中X軸、Y軸和Z軸的單軸運動。這些基本的運動能作為示教編程的基礎。然后需要實現(xiàn)示教編程功能,要實現(xiàn)示教編程,需要保存機器人的當前位置狀態(tài)信息,利用機器人的運動學方程及軌跡規(guī)劃算法來實現(xiàn)空間直線和空間圓弧的運動。最后要實現(xiàn)離線編程功能,則需要利用虛擬現(xiàn)實技術用計算機來模擬真實的機器人和工作環(huán)境。通過對虛擬機器人的控制和編程來實現(xiàn)離線編程的功能。軟件應包含的功能：按面向?qū)ο蟮念愡M行功能規(guī)劃與設計功能1:設計軸類，能夠?qū)崿F(xiàn)對碼垛機器人單軸的控制；通過軸

6、類能夠設置和讀取運動控制卡中的針對各軸的參數(shù)請預覽后下載?。煌ㄟ^軸類維護一個軸類的參數(shù)和位置的數(shù)據(jù)結構；通過軸類可以將其內(nèi)部的速度結構讀出；通過軸類可以實現(xiàn)單軸運動。功能2:設計正逆運動學算法類,能夠隨時調(diào)用,通過正逆運動學算法類實現(xiàn)碼垛機器人的正逆運動學求解；通過正逆運動學算法類維護一個數(shù)據(jù)結構記錄機器人結構尺寸、運動范圍；通過正逆運動學算法類維護一個數(shù)據(jù)結構可以接受外界傳入的關節(jié)坐標系位置值和笛卡爾坐標系位置值；通過正逆運動學算法類實現(xiàn)正運動學計算并返回運算結果；通過正逆運動學算法類實現(xiàn)逆運動學計算并返回運算結果。功能3:設計機器人類,在機器人類添加4個軸類分別代表不同的軸,同時還添加正逆

7、運動學算法類。通過機器人類實現(xiàn)將笛卡爾坐標系中的位置值轉(zhuǎn)換為關節(jié)空間的位置值,并傳入軸類的PT運動緩存器（PT模式是固高運動卡中內(nèi)置的一種運動模式，可以實現(xiàn)任意的速度曲線控制；另一含義：PT可編程終端）。通過機器人類維護一個數(shù)據(jù)結構來指示機器人當前狀態(tài)；通過機器人類啟動機器人運動PT緩存中的軌跡。功能4:實現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)讀取,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,維護一個描述機器人運動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構。(1)機器人運動數(shù)據(jù)是指,各關節(jié)的運行位移,速度,加速度,各軸的運行位移,速度,加速度,執(zhí)行點的運行位移,速度,加速度,電機編碼器的位移,速度,加速度。實現(xiàn):讀取控制器的運動數(shù)據(jù),通過讀取的數(shù)據(jù)參數(shù)、通過機器人的運動和結構算法

8、求出其他數(shù)據(jù)。作用:用于參數(shù)顯示,用于繪制圖形,用于控制虛擬模型。(2)通過以上說明,可以設計一個類,維護一個機器人的數(shù)據(jù)結構,可以調(diào)用數(shù)據(jù)進行單獨顯示,可以整體調(diào)用。功能5:可以設置機器人結構參數(shù)、運動參數(shù)、運動控制器參數(shù)和其他輔助參數(shù)。同時可以顯示機器人運動狀態(tài)參數(shù),系統(tǒng)參數(shù)和已經(jīng)設置的參數(shù)。說明:(1)由于機器人和運動控制器都有多種不同的組合形式,需要設置不同的參數(shù),來達到某種配置形式。(2)維護機器人結構參數(shù),機器人運動參數(shù),運動控制器參數(shù),他輔助參數(shù)等多個數(shù)據(jù)結構,可對這幾個數(shù)據(jù)結構,進行單獨和組合配置,顯示。功能6:繪制單軸的位移圖,繪制單軸的速度圖,繪制單軸的加速度圖,繪制執(zhí)行點

9、的位移圖,繪制執(zhí)行點的速度圖,繪制執(zhí)行點的加速度圖,繪制工作點的位移圖,繪制工作點的速度圖,繪制工作點的加速度圖。說明:(1)通過菜單欄的工具選擇不同的圖實時顯示,顯示時創(chuàng)建新的窗口,可以同時顯示多個窗口。(2)對于每一個窗口,確定一組顯示數(shù)據(jù)y軸,確定時間參數(shù)為X軸,確定顯示數(shù)據(jù)的大小請預覽后下載！,確定y軸數(shù)據(jù)的范圍,生成X,y軸的坐標,刻度,背景,網(wǎng)格,動態(tài)的顯示數(shù)據(jù)曲線,繪制曲線圖,可以同時在一張圖上顯示一組數(shù)據(jù)或者多組數(shù)據(jù)。(3)通過上面兩條可以確定一個類MDrawWave,這個類的屬性包括:A.時間t要顯示的范圍timeScale;B.顯示數(shù)據(jù)的范圍yinScale;C.時間間隔t

10、Gap;D.顯示的數(shù)據(jù)數(shù)組指針;E.顯示數(shù)據(jù)數(shù)組的大小;F.計算數(shù)據(jù)數(shù)組大小,生成數(shù)據(jù)數(shù)組,生成刻度,繪制網(wǎng)格。接口函數(shù)包括:A.寫入t的變動范圍函數(shù);B.寫入yinScale的函數(shù);C.寫入時間間隔;D.寫入待顯示數(shù)據(jù)FIFO; E.調(diào)用顯示。在對話框類中通過菜單的Id來調(diào)用Windows消息響應函數(shù),在消息響應函數(shù)里來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的圖形繪制。功能7:設計機器人軌跡規(guī)劃類,完成不同軌跡規(guī)劃的任務。功能8:指令類,讀取輸入的指令,對指令進行譯碼,并執(zhí)行指令代碼。功能9:指令文檔類,控制指令的輸入,和修改,檢查,報錯。功能10:狀態(tài)欄顯示類,實現(xiàn)機器人狀態(tài)的檢測,程序的檢測。功能11:維護類,對出現(xiàn)的程序錯誤進行診斷。功能12:虛擬機器人類,實現(xiàn)碼操機器人的實時監(jiān)控。機器人控制系統(tǒng)整體構架采用自頂向下的設計方法。首先將要控制系統(tǒng)分為主要的四大模塊,包括機器人模塊,數(shù)據(jù)庫模塊,控制模塊,虛擬模塊和檢測模塊。下面重點對機器人模塊進行一些結構描述。該模塊主要實現(xiàn)機器人的各軸運動控制,算法,手抓和數(shù)據(jù)維護。其結構如圖請預覽后下載！ （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!） 請預覽后下載！