發布日期：2022-04-20 點擊率：35
引言
蓄電池極板連續生產線的碼垛機器人是一種特殊的直角坐標搬運機器人,本文以此種機器人為例,研究機器人控制方法。蓄電池極板連續生產線的特點是同時輸出兩垛料,需要機器人能同時將兩垛料取出并搬運至目標位置。傳統直角坐標機器人三軸(x軸、Y軸、Z軸）的機械結構顯然不能滿足這樣的應用需求,因此設計了能滿足此種應用需求的特殊機器人,機器人結構簡化如圖1所示。
機器人共包含5個軸,Y1、Z1機械臂和Y2、Z2機械臂共用一個x軸,Y1、Z2機械臂和Y2、Z2機械臂需要分別獨立動作,執行搬運任務。Y1、Z1機械臂和Y2、Z2機械臂末端分別安裝了一個夾持裝置,由電磁閥控制氣缸動作對物料進行夾持。同時,為了適應多變的生產環境,機器人不僅要滿足基礎的搬運功能,還要具備碰撞保護、一鍵復位、一鍵啟動等功能。
1控制系統的硬件平臺搭建
本文案例選用的運動控制器為歐姆龍Nx1P2-1140DT,具備多軸運動控制功能,循環周期最短為1ms。控制器擴展了I/O模塊,用于傳感器信號的輸入以及電磁閥控制信號的輸出。控制器通過Ethernet與一塊觸摸屏通信實現人機交互,其功能包括參數設置、狀態顯示、配方設置、手動操作、路徑示教等,觸摸屏型號為臺達DOP-B07E415。控制器通過EtherCAT總線與5臺伺服驅動器通信,實現對機器人x軸、Y1軸、Z1軸、Y2軸、Z2軸的控制。伺服系統選用臺達ASD-A2系列,具有較好的實時性和動態響應特性:伺服電機均安裝絕對值編碼器,設備斷電時可保存機械臂位置信息。
2數據結構分析
實現機器人運動控制的核心為運動軌跡控制,把運動軌跡稱作路徑(Route）。運動軌跡是由空間中一個一個確定的點組成的,把這些點稱作坐標(Coord）。坐標(Coord）包含的最基本信息顯然是位置信息,包括x、Y1、Z1、Y2、Z2五個軸的位置信息,分別用x、y1、z1、y2、z2表示:除位置信息外,坐標(Coord）還應該包含運動信息,包括運動至當前坐標的速度(speed）、加速度(acc）、減速度(dec）:為了使運動軌跡更平滑,提高工作效率,還需要引入一個軌跡控制精度的概念,即當前坐標位置執行完成的提前量(advance）:機器人要完成具體的搬運任務,需要對機械臂安裝的各類工裝進行控制,除此之外,各種復雜的應用場合需要機器人實現各種特殊的功能,因此,還需要引入一個動作的概念,當機器人完成當前坐標運動后,需要執行一定的動作(action）。由此,我們提出一個結構體coord,其元素為(x,y1,y2,z1,z2,speed,acc,dec,advance,action）。
假設實際生產應用中,完成一個搬運工作的運動軌跡最大由20個坐標(Coord）組成,那么數組ARRAY[1..20]OFcoord就是可以完全描述這段運動軌跡的路徑(Route）。
3機器人運動控制原理
機器人的控制原理主要部分如圖2所示。執行第I步時,控制器向各個軸下發當前步的運動控制命令:控制命令通過一個命令執行過濾器(fi1ter）,當前軸上一步目標位置和當前步目標位置一致,且前當軸正在運動時,則不執行運動命令,否則執行當前步運動命令:當所有軸的當前位置距離目標位置在軌跡控制精度(advance）范圍內時,則認為當前步位置命令完成,開始執行當前步動作命令:當前步動作命令執行完成后,開始執行下一步運動命令。
4系統狀態控制設計
圖3為本文案列的狀態轉移圖,以層級式狀態機思維描述了系統在各狀態之間轉移的方向。在"初始狀態",系統可通過外部"自動模式"旋鈕切換至"自動狀態":"自動狀態"下,可通過外部"啟動"按鈕進入"自動回原點狀態":在"自動回原點狀態"中,機器人將根據當前空間位置,選擇合適的回原點路徑進行回原點動作:回原點動作完成后,系統自動進入"自動待機狀態",按下外部"啟動"按鈕后,機器人進入"自動運行狀態",機器人執行循環搬運工作:可隨時通過外部"停止"按鈕進入"自動待機狀態",亦可隨時通過外部"啟動"按鈕使機器人重新進入"自動運行狀態",執行搬運工作:機器人在搬運過程中出現碰撞報警時,將自動進入"力矩超限狀態",以極慢的速度避讓障礙物并報警,隨后系統自動進入"自動回原點狀態"。
通過對機器人需求的分析,確定機器人需要實現的功能,按功能劃分機器人的各個系統狀態,通過層級式狀態機思維描述系統狀態的轉移方向,最終實現了操作簡單、使用靈活,并具備碰撞保護功能的機器人系統設計。
5結語
本文結合實際案例,介紹了一種多軸直角坐標搬運機器人的通用控制方法。經過設備在實際生產實踐中的驗證,證明了此種控制方法是可靠、高效、穩定的,可以作為一種多軸直角坐標搬運機器人的通用控制方法。
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