引言

蓄電池極板連續(xù)生產(chǎn)線的碼垛機(jī)器人是一種特殊的直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人,本文以此種機(jī)器人為例,研究機(jī)器人控制方法。蓄電池極板連續(xù)生產(chǎn)線的特點(diǎn)是同時(shí)輸出兩垛料,需要機(jī)器人能同時(shí)將兩垛料取出并搬運(yùn)至目標(biāo)位置。傳統(tǒng)直角坐標(biāo)機(jī)器人三軸(x軸、Y軸、Z軸）的機(jī)械結(jié)構(gòu)顯然不能滿足這樣的應(yīng)用需求,因此設(shè)計(jì)了能滿足此種應(yīng)用需求的特殊機(jī)器人,機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡化如圖1所示。

機(jī)器人共包含5個(gè)軸,Y1、Z1機(jī)械臂和Y2、Z2機(jī)械臂共用一個(gè)x軸,Y1、Z2機(jī)械臂和Y2、Z2機(jī)械臂需要分別獨(dú)立動(dòng)作,執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)。Y1、Z1機(jī)械臂和Y2、Z2機(jī)械臂末端分別安裝了一個(gè)夾持裝置,由電磁閥控制氣缸動(dòng)作對物料進(jìn)行夾持。同時(shí),為了適應(yīng)多變的生產(chǎn)環(huán)境,機(jī)器人不僅要滿足基礎(chǔ)的搬運(yùn)功能,還要具備碰撞保護(hù)、一鍵復(fù)位、一鍵啟動(dòng)等功能。

1控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)搭建

本文案例選用的運(yùn)動(dòng)控制器為歐姆龍Nx1P2-1140DT,具備多軸運(yùn)動(dòng)控制功能,循環(huán)周期最短為1ms。控制器擴(kuò)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,其功能包括參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示、配方設(shè)置、手動(dòng)操作、路徑示教等,觸摸屏型號為臺(tái)達(dá)DOP-B07E415?？刂破魍ㄟ^EtherCAT總線與5臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器通信,實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人x軸、Y1軸、Z1軸、Y2軸、Z2軸的控制。伺服系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)ASD-A2系列,具有較好的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性:伺服電機(jī)均安裝絕對值編碼器,設(shè)備斷電時(shí)可保存機(jī)械臂位置信息。

2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心為運(yùn)動(dòng)軌跡控制,把運(yùn)動(dòng)軌跡稱作路徑(Route）。運(yùn)動(dòng)軌跡是由空間中一個(gè)一個(gè)確定的點(diǎn)組成的,把這些點(diǎn)稱作坐標(biāo)(Coord）。坐標(biāo)(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(gè)軸的位置信息,分別用x、y1、z1、y2、z2表示:除位置信息外,坐標(biāo)(Coord）還應(yīng)該包含運(yùn)動(dòng)信息,包括運(yùn)動(dòng)至當(dāng)前坐標(biāo)的速度(speed）、加速度(acc）、減速度(dec）:為了使運(yùn)動(dòng)軌跡更平滑,提高工作效率,還需要引入一個(gè)軌跡控制精度的概念,即當(dāng)前坐標(biāo)位置執(zhí)行完成的提前量(advance）:機(jī)器人要完成具體的搬運(yùn)任務(wù),需要對機(jī)械臂安裝的各類工裝進(jìn)行控制,除此之外,各種復(fù)雜的應(yīng)用場合需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種特殊的功能,因此,還需要引入一個(gè)動(dòng)作的概念,當(dāng)機(jī)器人完成當(dāng)前坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)后,需要執(zhí)行一定的動(dòng)作(action）。由此,我們提出一個(gè)結(jié)構(gòu)體coord,其元素為(x,y1,y2,z1,z2,speed,acc,dec,advance,action）。

假設(shè)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,完成一個(gè)搬運(yùn)工作的運(yùn)動(dòng)軌跡最大由20個(gè)坐標(biāo)(Coord）組成,那么數(shù)組ARRAY[1..20]OFcoord就是可以完全描述這段運(yùn)動(dòng)軌跡的路徑(Route）。

3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制原理

機(jī)器人的控制原理主要部分如圖2所示。執(zhí)行第I步時(shí),控制器向各個(gè)軸下發(fā)當(dāng)前步的運(yùn)動(dòng)控制命令:控制命令通過一個(gè)命令執(zhí)行過濾器(fi1ter）,當(dāng)前軸上一步目標(biāo)位置和當(dāng)前步目標(biāo)位置一致,且前當(dāng)軸正在運(yùn)動(dòng)時(shí),則不執(zhí)行運(yùn)動(dòng)命令,否則執(zhí)行當(dāng)前步運(yùn)動(dòng)命令:當(dāng)所有軸的當(dāng)前位置距離目標(biāo)位置在軌跡控制精度(advance）范圍內(nèi)時(shí),則認(rèn)為當(dāng)前步位置命令完成,開始執(zhí)行當(dāng)前步動(dòng)作命令:當(dāng)前步動(dòng)作命令執(zhí)行完成后,開始執(zhí)行下一步運(yùn)動(dòng)命令。

4系統(tǒng)狀態(tài)控制設(shè)計(jì)

圖3為本文案列的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,以層級式狀態(tài)機(jī)思維描述了系統(tǒng)在各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的方向。在"初始狀態(tài)",系統(tǒng)可通過外部"自動(dòng)模式"旋鈕切換至"自動(dòng)狀態(tài)":"自動(dòng)狀態(tài)"下,可通過外部"啟動(dòng)"按鈕進(jìn)入"自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)":在"自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)"中,機(jī)器人將根據(jù)當(dāng)前空間位置,選擇合適的回原點(diǎn)路徑進(jìn)行回原點(diǎn)動(dòng)作:回原點(diǎn)動(dòng)作完成后,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入"自動(dòng)待機(jī)狀態(tài)",按下外部"啟動(dòng)"按鈕后,機(jī)器人進(jìn)入"自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)",機(jī)器人執(zhí)行循環(huán)搬運(yùn)工作:可隨時(shí)通過外部"停止"按鈕進(jìn)入"自動(dòng)待機(jī)狀態(tài)",亦可隨時(shí)通過外部"啟動(dòng)"按鈕使機(jī)器人重新進(jìn)入"自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)",執(zhí)行搬運(yùn)工作:機(jī)器人在搬運(yùn)過程中出現(xiàn)碰撞報(bào)警時(shí),將自動(dòng)進(jìn)入"力矩超限狀態(tài)",以極慢的速度避讓障礙物并報(bào)警,隨后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入"自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)"。

通過對機(jī)器人需求的分析,確定機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能,按功能劃分機(jī)器人的各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài),通過層級式狀態(tài)機(jī)思維描述系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方向,最終實(shí)現(xiàn)了操作簡單、使用靈活,并具備碰撞保護(hù)功能的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

5結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際案例,介紹了一種多軸直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人的通用控制方法。經(jīng)過設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的驗(yàn)證,證明了此種控制方法是可靠、高效、穩(wěn)定的,可以作為一種多軸直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人的通用控制方法。