码垛机器人机构设计与控制系统研究

机󰀁󰀁电󰀁󰀁工󰀁󰀁程

Mechanical&ElectricalEngineeringMagazineVo.l25No.12Dec.2008

󰀁机器人技术󰀁

码垛机器人机构设计与控制系统研究

李成伟,朱秀丽,贠󰀁超

1

1

2

(1.北京航空航天大学机械人研究所,北京100083;2.北京航空航天大学理学院,北京100083)

摘󰀁要:针对物流自动化行业中对箱包高速码垛的需求,并依据搬运机器人的性能要求,设计了一

种四自由度的码垛机器人。重点分析了码垛机器人的运动学研究,推导了运动学正反解公式及最大工作空间的判断且规划了运动路径,进行了图形仿真,验证了运动轨迹的正确性,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并自主开发码垛机器人控制软件。通过盒控制方式,实验结果表明,所设计的机器人已可满足在物流自动化的目标要求。

关键词:机器人机构;运动学分析;控制系統;图形仿真中图分类号:TP24󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

文章编号:1001-4551(2008)12-0081-04

Designandresearchofstackingrobotkinematics

112

LICheng󰀁wei,ZHUXiu󰀁li,YUNChao

(1.RoboticsInstitute,BeihangUniversity,Beijing100083,China;2.SchoolofScience,BeihangUniversity,Beijing100083,China)

Abstract:Inaccordancewiththerequirementofrobotpalletizerinlogisticsautomationtechnology,

auniversalrobotpalletizer

wasdesignedbasedonthefunctionalrequirement.Thefocusofthecampaignpathpalletizingrobotswerestudied.Theprosandconsofthelocationworkspace,thelargestjudgmentandthedevelopmentofrobottostackthepathplanningweresought.Andstackingspacejudgment,afinalgraphicsimulationandverificationofthecorrectnessofthetrajectoryweredone.Theuseofdis󰀁tributedcontrolstructuretoachieveandthesecondsystemofmonitoringandoperationsmanagement,coordinationofjointmove󰀁mentweredone.Thetrajectoryplanningandindependentdevelopmentpalletizingrobotcontrolsoftwareweretrackedaceurately.Bystackingthekeyparametersoftheinputtingandteaching󰀁playbackoperations,theexperimentalresultsshowthattherobotmeetstheobjectivesofthelogisticsautomationrequirements.

Keywords:robotinstitutions;kinematicsanalysis;controlsystem;graphicsimulation

0󰀁引󰀁言

随着21世纪工业及经济的蓬勃发展以及对产品精度的要求不断提高,机器人加工逐渐成为一种被普

遍应用的加工方法,而码垛是物流自动化技术领域一门新兴技术,码垛按照一定模式,一件件堆成码垛,以便使单元化的码垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动,随着工业化大生产规模的扩大,促使码垛自动化,以加快物流的速度,保护工人的安全和健康,同时也能获得整齐一致的物垛,减少物料的破损和浪费。随着生产规模的扩大和自动化水平的提高,码垛机器人柔性、处理能力及可靠性正在不断地升级,应用场合也逐

收稿日期:2008-07-24

渐在扩大,因此开发高性能、低成本、人性化的码垛机器

[1󰀁2]

人将有广阔的市场前景。

本研究主要介绍码垛机器人机构设计与控制系统的设计。

1󰀁机器人结构

码垛机器人的具体结构

[3]

如图1所示,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、后大臂的搬运和码垛作业,且机械系统主要由4个关节部分组成,能实现4种运动:腰部旋转、大臂上下运动、小臂前后运动和手腕回转运动,并全部由交流伺服电机驱动,因此这种结构的机器人完全可以满足生产线上的需求。

作者简介:李成伟(1982-),男,台湾高雄人,主要从事机械设计及理论及机电控制软件方面的研究.E󰀁mai:llee.chengwe@i163.com通信联系人:贠󰀁超,男,教授,博士生导师.E󰀁mai:lcyun18@sina.com

󰀁82󰀁机󰀁󰀁电󰀁󰀁工󰀁󰀁程第25卷

1.3󰀁腕部及机器人手爪的结构设计

腕部关节及手爪机械结构图如图4所示。腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转。本研究以对箱状物机械手控制为例进行分析,该机构主要完成码垛操作中夹紧箱状物体的动作,机器人手爪底部安装气源入口及气源处理和压力继电器,工作时侧夹板开合由通电磁阀控制汽缸活塞杆缩回,带动两侧板互相

图1󰀁总体机械结构图

靠近,从而完成夹紧动作,手爪板完全打开时,可以使张开的手爪之间的宽度大于包装箱的宽度;而另一个通电磁阀控制气缸实现手爪开合,以保证机械手的手爪准确、可靠地落于生产线运输辊之间或拖盘上。

1.1󰀁水平及垂直关节的结构设计

水平、垂直关节机械结构图如图2所示,由于机架零件会阻挡到其他零件的说明,在图2中没显示出来。水平及垂直关节部分都各有一个电机,每个电机藉由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动,间接带

动其滑块及拖板。这样的运动可以使机器人实现大臂上下运动、小臂前后运动,且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。

图4󰀁腕部关节及手爪机械结构图

2󰀁运动学分析

最大工作空间示意图如图5所示。为了便于对并

图2󰀁水平、垂直关节机械结构图

联部分的运动进行分析求解,首先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A点的坐标为:XAC=1430mm,YHC=1320mm。

下面分析当水平关节向前移动x,垂直关节向上移动y,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。由图5可知,在󰀁HEF中,HF=240-y,EF=260+x,则:

󰀁1=arctan

2

2

1.2󰀁腰部底座的结构设计

腰部底座关节机械结构图如图3所示。腰部底座的运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴,进而使机架实现腰部旋转,并且经实验证明:底部基座及法兰的结构设计可以降低机械关节动时的工作噪音,而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以调整放置方向,所以此结构满足现场工作的需求。

240-y

;

260+x2

2

2

2

b=EH=EF+FH=(260+x)+(240-y)。在󰀁EDH中,a=260,c=240,则:b+c-a󰀁;2=󰀁DHE=arccos2bca+b-c󰀁H=arccos。3=󰀁DE

2ab此时C点的坐标为:

XC=1320󰀁cos(󰀁1+󰀁2);

图3󰀁腰部底座关节机械结构图

2

2

22

2

2YC=y+1320󰀁sin(󰀁1+󰀁2)

A点的坐标为:

(1)

第12期李成伟,等:码垛机器人机构设计与控制系统研究

󰀁83󰀁

XA=XC+1430󰀁cos(󰀁3-󰀁1);YA=YC-1430󰀁sin(󰀁3-󰀁1)将式(1)代入式(2),得:

(2)

运动到托盘上的A点再到达B点,按照右手定则,腰部旋转的角度为:

󰀁1=arctan

y1

-90󰀁;x1(4)

XA=1320󰀁cos(󰀁1+󰀁2)+1430󰀁cos(󰀁3-󰀁1);YA=y+1320󰀁sin(󰀁1+󰀁2)-1430󰀁sin(󰀁3-󰀁1)

(3)

根据几何知识反解得:

XA=1430+5.5x;YA=1320-4.5y。

当推导出正反解后就可以依据工作现场的码垛实际需求,计算出可达到的工作空间,以机器人初始位置垂直丝杠下方为原点,如图5所示的最大空间点为A1、A2、A3、A4,则运动到A1点的丝杠移动距离为:

x=175,y=445;

260+x=200;240-y=195;b=279。角度为:󰀁;󰀁;󰀁;则得A1点1=115󰀁2=17󰀁3=16󰀁的坐标A1(1095,1120)。

同理运动到A2点的丝杠移动距离为:x=-60,y=45;

260+x=200;240-y=195;b=279。角度为:󰀁;󰀁;󰀁;则得到A21=45󰀁2=59󰀁3=53󰀁点的坐标A2(2395,1120)。

同理可得运动到A3点的丝杠移动距离为:x=-60,y=445;240-y=-205;260+x=200;b=286。角度为:󰀁;󰀁;󰀁;则得到A31=135󰀁2=58󰀁3=52󰀁点的坐标A3(1095,-680)。

运动到A4点的丝杠移动距离为:x=175,y=45;

260+x=435;240-y=195;b=477。

角度为:󰀁;󰀁;󰀁;则得到A41=24󰀁2=18󰀁3=17󰀁点的坐标A4(2395,-680)。

b󰀁nb-arcsin22=arcsir2r1

水平关节移动的距离为:

l1=

22x1+y1-y05.5

(5)

垂直关节移动的距离为:

l2=

(z1-z0)

;(-4.5)

(6)

腕部机械手旋转角度为:󰀁2=-󰀁1

(7)

由以上分析可知给定工作区间上初始位置和任意一点,根据式(4)~式(7)即可求解出各个关节应旋转的角度或移动的距离。

图6󰀁腰部、腕部旋转角度计算简图

同理,已知每个关节旋转的角度或移动的距离,末端机械手的位置姿态也可以求出,在这里不再做详细描述。

3󰀁硬件控制系统的设计

硬件控制系统结构如图7所示。由图7可看出,系统设计采用了模块化的形式,且总体结构采用了分布式控制结构

[4]

。上位机采用普通工业控制计算机,

主要处理系统的监控和作业管理,如示教盒控制、显示服务、坐标转换、I/O控制等,根据使用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,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

图5󰀁

最大工作空间示意图

对各关节运动的协调和控制作用。下位机采用DSP控制器和PLC,DSP控制器即为所采用的PMAC104运动控制卡,主要是执行实时运动学计算、轨迹规划、插补计算、伺服控制等,不断地读取各轴编码器的脉冲

假设码垛方式为每层3行3列(9件),如图6所示,当码垛机器人搬运工件时,从自动生产线上的C点

󰀁84󰀁机󰀁󰀁电󰀁󰀁工󰀁󰀁程

longintwristrotation󰀁sum;/示教点腕部旋转轴角度;longintlevellengthsum;/示教点水平伸长量;

第25卷

量,计算机器人的现行位置。

longintuprightlengthsum;/示教点垂直伸长量;}pointer[200];

当记录完一个示教点后num加1,为记录下一个示教点作准备。

图9󰀁示教盒流程

图7󰀁硬件控制系统结构

5󰀁运动模式

4󰀁软件控制系统的设计

开放式通用机器人控制系统的软件应在标准的语言环境下进行开发,做到可移植,易修改、重构及扩充,并能提供用户接口和程序接口,所以笔者采用面向对象的模块化的工程设计方法,如图8所示。与硬件结构相对应,控制系统软件也分为上、下两层,各个模块都具有自己独立的功能,相互间调用关系简单,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。

本研究针对机器人工作现场的作业要求,对码垛轨迹进行规划,使其能够将物品精确地码成所需要的形式,而轨迹规划是运动学反解的实际应用,其中包括位姿反解与速度、加速度的反解,而实现的方式是采用电

[5]

控控制、机器人语言和机器人动力学特性。抓取物品过程中各个点定义如下(运动轨迹设计如图10所示):(1)P1󰀁P2。P1为机械手爪的初始位置,P2为物品最初放置位置;

(2)P2󰀁P1。机械手爪上升到初始高度;(3)P1󰀁P3。P3为旋转角度;

(4)P3󰀁P4。P4为码垛机械手伸长量;(5)P4󰀁P5。P5为旋转角度;(6)P5󰀁P6。P6为码垛机械手再度伸长。(7)P6󰀁P7。P7为下降位置,一次动作完成。

图8󰀁软件控制系统结构

如图9所示,通过在串口和示教盒之间进行通讯,将接收到的控制指令按照软件设计的要求判断控制指令的类型,调用相应的控制指令子程序以实现对各轴运动参数的修改、运动方式的控制和示教点位置信息的存储。

此外,在保存当前的示教点特征值时,用一个结构体来记录数据。结构体定义如下:

󰀁structpoint󰀁type{intsum;第几个示教点longinthaunchrotation󰀁sum;

/示教点腰部旋转角度;

图10󰀁运动轨迹设计

6󰀁仿真分析

本研究采用Solidworks2007构建机器人的三维实体模型,以实现机器人码垛过程的仿真,通过VC编程将机器人的运动学

[6]

和轨迹运动算法加入到程序中。

以矩形码垛为例,对整个码垛过程进行仿真,如图11󰀁(下转第99页)

第12期丁󰀁晨,等:汽轮压缩机组机械式控制系统的现代化改造

󰀁99󰀁

2.4󰀁工程师站/操作员站

工程师站/操作员站有汽轮压缩机组主控制画面、紧急停机保护画面、轴系位移振动数据画面等操控画面。通过网络数据通讯,汽轮压缩机组操作人员可在工程师站/操作员站通过计算机画面对汽轮压缩机组进行监视和操作。

4󰀁结束语

用现代电子设备对老式的机械式控制系统进行现代化改造,是现有汽轮压缩机组现代化改造的一个重要内容。本研究方案的成功实践,为国内外汽轮压缩机组机械式控制系统的现代化改造积累了经验,也为今后大范围开展此类改造奠定了基础。

参考文献(References):

[1]󰀁徐󰀁忠.离心式压缩机[M].北京:机械工业出版社,1988.[2]󰀁侯曼西.工业汽轮机[M].重庆:重庆大学出版社,1995.[3]󰀁CompressorControlsCorporation.Series3PlusAnti󰀁Surge

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[6]󰀁BENTLYNevadaCorporation.3500RACKOperationandma󰀁

intenanceManual[M].BENTLYNevadaCorporation,1999.[7]󰀁SIEMENS.Simatic动化系统S7󰀁400容错系统使用手册

[M].SIEMENS,2002.

3󰀁方案的实践

本研究制定的汽轮压缩机组机械式控制系统的现代化改造方案在内蒙苏里格600T/D甲醇装置的合成

气汽轮压缩机组中得到了实践。通过改造,该机组控制系统的控制精度达到了美国NEMASM23标准的D级。原机械式控制系统所固有的迟缓率大、调节不灵敏、磨损卡涩严重等现象不复存在。控制系统的响应时间提高到毫秒级,动作时间提高到秒级,并从根本上避免了人工操作失误的风险。整个控制系统通过网络进行数据通讯和信息共享,所有重要运行参数都被自动分析记录。操作人员在中控室通过工程师站/操作员站对机组实施远程操控,极大地改善了工作条件。(上接第84页)

所示。仿真结果达到了预想的效果,为工业现场进行离线码垛提供了借鉴。

[编辑:李󰀁辉]

7󰀁结束语

针对某企业生产线的实际需求,本研究设计了一种四自由度并连关节式搬运机器人。该机器人机械结构设计合理、负载能力大,且对硬纸箱、塑料箱、袋状物、盒装物等搬运码垛,只需更换手爪即可。因此,除了用于拆垛、码垛以外,本研究设计的搬运机器人还可以广泛用于物流自动化行业中的物料搬运、分拣等领域,具有广阔的市场前景。

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图11󰀁运动仿真图

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[编辑:李󰀁辉]