大伸臂重载装配机器人

大伸臂重载装配机器人伸缩臂/机器人/加减速方案1引言随着机器人技术的不断发展，航天、飞机、码头等领域的地面重载装配领域将成为机器人应用的广阔天地。在上述领域内工作具有以下的特点：1） 货柜外形尺寸大、重量重，需要消耗大量的人力。2） 货柜装卸工作完全依靠人力操作具有相当的难度以及不可靠性。3） 货柜装配过程为重复性劳动。4） 货柜在装配过程中受到舱内尺寸和内部空间的制约。鉴于以上特点，开发大伸臂重载机器人［1］代替人去从事重载装配工作将有重要意义。目前，国内外已经认识到这点，开始研究大伸臂重载机器人并开发出一些样机。美国的肯尼迪航天中心设计了一套机柜安装机器人，能够在不到一个小时的时间内,将机柜由移动转运车上拿起并且将之安装入位。这样一来大大节省了机柜的安装时间，从而保证按时完成节点。根据实际装配的情况，本文提出了一种五自由度大伸臂重载机器人。该机器人由伸缩起重臂、基座以及末端执行机构组成。其特点包括：1） 部分可实现自动化操作。2） 操作流程简单、智能。3） 可以一次安装两个象限的货柜，并且只需旋转一次舱体,就可安装四个象限的货柜。4） 可以减少操作人员对货柜的直接操作，减少了人为带来的不确定性因素,从而提高了操作的安全性。在结构上采用模块化设计方法。模块化机器人具有研发成本低，结构和功能的扩展性强等优点,是当前机器人系统研发的一个趋势。本文对上述大伸臂重载机器人进行基础研究，提出、分析和比较三种不同的伸缩臂加减速方案［2］。通过计算和比较三种方案的优劣。为解决伸缩起重臂在运动控制中的稳定性问题［3］提供了基本依据。2系统机械结构大伸臂重载机器人总体结构分为末端执行机构部分、伸缩臂部分、基座主体部分和综控部分四个子系统。在工作时，首先将机器人放置在合适的安装位置。然后将安装有货柜的移动转运车推到大伸臂机器人可以触及到的范围内，操作大伸臂机器人与货柜对接,将货柜从移动转运车上拆下。之后机器人把货柜调整在合适的姿态和位置后,送入到舱体内。待到达指定位置后，将货柜安放入位。大伸臂机器人在静止时结构如图1所示。图1 大伸臂重载装卸机器人系统三维图3控制系统大伸臂重载装卸机器人的电气控制系统分为硬件和软件两大部分,该方案通过对电气控制硬件和软件的设计，使大伸臂重载装卸机器人完成满足技术要求的运动动作。3.1硬件部分大伸臂重载装卸机器人硬件部分主要由运动控制器、伺服电机、视觉系统、数据采集卡、工控计算机、示教盒、综合控制台及各种控制柜等等部件组成，按照功能模块划分可分为运动控制模块、视频采集显示模块、数据采集模块、人机交互模块四大部分。硬件结构如图2所示。数据采集卡电机回零限位信号PCI总线摄像机(2轴伺V/1轴伺)1服电机数据采集卡电机回零限位信号PCI总线摄像机(2轴伺V/1轴伺)1服电机y-」1服电机\图2 控制系统硬件结构图如图2所示,工控机与运动控制器、图像采集卡、数据采集卡进行实时通讯，主要完成人机交互、文件管理、视频实时显示、数据实时显示等功能。人机交互功能主要是应用VisualC++6.0编程软件结合微软的MFC类库实现其数控系统软件的功能开发。运动控制模块由运动控制器、伺服电机驱动器和伺服电机组成。其中运动控制器选择PMAC八轴运动控制器，它是大伸臂重载装卸机器人控制系统的核心，主要完成对伺服电机的多轴协同运动控制和I/O点的功能规划，它主要以脉冲方式对机器人的8个轴伺服电机进行逻辑控制，同时接收编码器反馈的位置信息，形成位置闭环，从而实现机器人准确定位，且各轴伺服电机工作于位置模式°PMAC八轴运动控制器是一种能脱机

运行的运动控制器，它将基于Modbus协议通过RS232接口与工控计算机进行数据传输,并将电机运行状态和各轴位置数据实时反馈。同时PMAC具有强大的独立编程能力，应用自己独立的编程软件在PC机上进行运动控制程序的编写，并将程序下载到程序存储单元。通过将复杂的运动曲线和运动控制算法集成到控制器，减轻了工控机的负担，实现了程序的模块化设计，如此构造出一种模块化的、开放性的功能强大的控制系统。视频采集显示模块包括摄像头和图像采集卡。摄像头安装在末端执行机构末端，方便用户实时观察机器人的运动状态和周围的运动环境，以确定机柜连接点的位置，辅助机器人与机柜对接。图像采集卡通过PCI总线将采集的视频数据实时传输给上位机。数据采集模块包括数据采集卡、位置传感器、力度传感器、编码器等。数据采集卡主要完成力度数据和位置数据的转换，并将转换后的数据反馈给上位机显示，帮助控制系统和用户分析决策。位置传感器和力度传感器安装在末端执行机构上,其中位移传感器用于检测末端执行机构与舱门等其他物体之间的距离，防止碰撞的发生,力度传感器一方面用来检测固定机柜螺栓的力度用以辅助拆卸末端执行机构，另一方面用于重量和质心测量。上位机通过力度传感器反馈的数据，合理规划机器人伸缩起重臂末端的运动速度确定机柜安装是否完成,当力度值小于等于一定设置值时表示此时适合螺栓拆卸。视频显示和数据采集的相结合，保障了机柜安装的安全性、准确性和可靠性。人机交互模块采用基于PC机资源的示教盒作为操作者与系统的另一交互终端,主要实现信息输入、状态显示和示教功能。示教盒采用VisualC++高级编程语言开发，通过RS232与工控机进行通讯完成命令输入功能,并利用VGA接口实现状态显示功能。示教盒包括数据处理、键盘扫描、通讯和液晶显示四大模块，提供独立的急停、回零、模式（自动和手动）、各轴进给、状态显示功能。其中数据处理和功能实现都由上位机程序负责。3.2软件部分电气控制系统的软件部分包括上位机软件系统和下位机软件系统。其中上位机软件系统主要有两大功能，即可以显示机器人的各种状态和使操作人员通过菜单选择或参数输入的方式实现对大伸臂重载装卸机器人运动的的控制。下位机软件系统主要负责向伺服系统发送控制信号以控制伺服电机运动,并对编码器的位置信息进行处理并实时反馈给运动控制器，控制器根据程序控制伺服电机做出相应运动。3.2.1上位机软件系统上位机软件由VC++6.0开发,为用户提供人机界面的功能。人机交互功能主要由控制面板交互和示教盒交互两部分实现。控制面板交互部分软件界面如图3所示,该界面允许用户手动输入控制参数，其软件程序将控制参数以及力传感器和位置传感器的反馈数据经运算处理后编译为运动指令发送到下位机，用户可根据货柜的型号改变控制参数，从而实现对大伸臂重载装卸机器人的方便灵活控制;示教盒交互部分除可实现用户手动控制伸缩起重臂的运动外，还负责视觉对接系统的显示工作，使用户可以看到末端执行机构安装机柜时的详细情况。斗零设置速度基座正转串口设置 敏指采集 保存数据基座左移伸膏3而正设置距泻斗零设置速度基座正转串口设置 敏指采集 保存数据基座左移伸膏3而正设置距泻运行状奄通讯状恋图3 控制面板界面3.2.2下位机软件系统下位机软件由PMAC运动控制卡标配软件PEWIN32运用BASIC语言编写，程序首先处理上位机发送的指令，判断当前控制模式是示教模式、自动模式还是手动模式，并根据不同模式转入相应的软件流程。程序进入示教模式时，在必要的初始化后允许用户通过手动模式控制末端执行机构的位置，记录关键点位置信息，并保存为示教文件;程序进入自动模式时，允许用户输入控制参数或直接调用示教文件控制末端执行机构的位置，并在关键点位置进行比较，从而实现对每个关键点位置的精确定位。下位机软件向伺服驱动器发送相应的模拟量驱动伺服电机,编码器将伺服电机的实时位置反馈给运动控制卡，控制卡根据程序控制伺服电机做出相应运动。4伸缩臂加减速运行方案设计在伸缩起重臂运动控制中，运动性能的好坏主要表现在加减速的控制上。起重臂伸缩过程中当速度要求从V1加速到V2,若加速策略采取的不当将影响伸缩运动的平稳性，甚至对伸缩起重臂本身造成冲击，引起震颤和加速设备磨损。因此，为保证伸缩起重臂在伸缩过程运动平稳，冲击小，就必须选择最优的加减速控制。在伸缩起重臂控制系统中,常用来进行加减速速度规划的方法有直线加减速，指数加减速和三角函数加减速［2］。直线加减速虽然算法简单，响应快,效率高，但缺点明显。由图4可见，在A、B、C、D四个点处不可导，加速度有突变，存在对伸缩起重臂机械设备的柔性冲击;另外，四点的速度过渡不平滑;伸缩运动精度低。图4直线加减速由图5可见，指数加减速和直线加减速相比，平滑性好，运动精度高，但算法复杂，而且加减速的起点和终点还是存在加速度突变，对伸缩臂还是有柔性冲击。图图5 指数加减速伸缩起重臂在变速运动时要求速度曲线至少二阶可导并连续，并满足一定的边界条件即在起始和终止时的速度必须与要求速度一致,加速度必须为0,才能保持系统过渡平稳。为此考虑到余弦函数具有连续并无限次可导的特点，对其求导得到加速度连续，均满足以上要求。当速度从V1变化到V2时,利用其半个周期，构造速度函数如下：/(f)=*+?(弓_%)C03；汗+用+1Lf■ ⑴则可化简为:〃(£)=?(*+匕)—?(匕—*)cosF(2)当t=0时V(t)=v1;当t=tm时v(t=v2),满足边界条件。对速度函数求导可得系统加速度a(t):*)=3-亿—*)$血=花(3)当t=0时,a(t)=0;当t=tm时,a(t)=0,同样满足边界条件;并且连续可导，因此保证了伸缩起重臂在加减速的过程中有较好的柔性。对加速度函数求导，可得加加速度的时间函数J(t):⑷加加速度函数仍然连续，确保在伸缩臂变速过程中具有更高的柔性。图© 三角函数加减速当控制系统控制伸缩臂运动时,需要经历加速、匀速、减速三个过程，速度表达式如下:加速段：r（'）=3（%+匕外）一一K匀速段:减速段:丫（，）=!。+/期）-S仁-％）cosf'由图6可知，与前两种方法相比，直线加减速和指数加减速，都存在当伸缩起重臂由静止状态启动时，起始加速度大，引起加速过程对伸缩起重臂部件的冲击，限制了加速度的提高。而三角函数加减速控制在加减速的起点和终点不存在加速度突变，所以在伸缩起重臂系统加速度变化阶段，既能充分发挥电机性能，又能减少速度冲击，使系统速度变化平稳,保证伸缩起重臂的平滑运动，抑制了由于速度变化带来负载在一定位移范围内的震颤，保证了整个系统的稳定性。考虑到控制系统需要较高运动特性和加减速柔性，三角函数加减速方法更适合。4结束语面向航天、飞机和码头等领域的地面重载装配领域，大伸臂机器人应运而生。本文提出了