多軸直角坐標搬運機器人的通用控制方法研究

時間：2022-04-16 21:20:59

關鍵字：直角坐標機器人狀態(tài)機控制系統(tǒng)

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[導讀]摘要:基于傳統(tǒng)直角坐標機器人控制技術,以蓄電池極板連續(xù)生產(chǎn)線的碼垛機器人為應用案例,根據(jù)設備需求、機器人控制原理和系統(tǒng)狀態(tài)機的設計,介紹了一種通用的、靈活的、開發(fā)周期短的多軸直角坐標機器人控制方法。該機器人經(jīng)過實踐,驗證了該控制方法的可靠性、高效性和穩(wěn)定性。

引言

蓄電池極板連續(xù)生產(chǎn)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(xù)生產(chǎn)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(tǒng)直角坐標機器人三軸(x軸、Y軸、Z軸）的機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhí)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(chǎn)環(huán)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(tǒng)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(huán)周期最短為1ms?？刂破鲾U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?？刂破魍ㄟ^Ethernet與一塊觸摸屏通信實現(xiàn)人機交互,其功能包括參數(shù)設置、狀態(tài)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?？刂破魍ㄟ^EtherCAT總線與5臺伺服驅(qū)動器通信,實現(xiàn)對機器人x軸、Y1軸、Z1軸、Y2軸、Z2軸的控制。伺服系統(tǒng)選用臺達ASD-A2系列,具有較好的實時性和動態(tài)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

實現(xiàn)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(zhí)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(xiàn)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(zhí)行一定的動作(action）。由此,我們提出一個結(jié)構(gòu)體coord,其元素為(x,y1,y2,z1,z2,speed,acc,dec,advance,action）。

假設實際生產(chǎn)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(shù)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(zhí)行第I步時,控制器向各個軸下發(fā)當前步的運動控制命令:控制命令通過一個命令執(zhí)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(zhí)行運動命令,否則執(zhí)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(nèi)時,則認為當前步位置命令完成,開始執(zhí)行當前步動作命令:當前步動作命令執(zhí)行完成后,開始執(zhí)行下一步運動命令。

4系統(tǒng)狀態(tài)控制設計

圖3為本文案列的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,以層級式狀態(tài)機思維描述了系統(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"自動模式"旋鈕切換至"自動狀態(tài)":"自動狀態(tài)"下,可通過外部"啟動"按鈕進入"自動回原點狀態(tài)":在"自動回原點狀態(tài)"中,機器人將根據(jù)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(tǒng)自動進入"自動待機狀態(tài)",按下外部"啟動"按鈕后,機器人進入"自動運行狀態(tài)",機器人執(zhí)行循環(huán)搬運工作:可隨時通過外部"停止"按鈕進入"自動待機狀態(tài)",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(tài)",執(zhí)行搬運工作:機器人在搬運過程中出現(xiàn)碰撞報警時,將自動進入"力矩超限狀態(tài)",以極慢的速度避讓障礙物并報警,隨后系統(tǒng)自動進入"自動回原點狀態(tài)"。