多轴直角坐标搬运机器人的通用控制方法研究

引言

蓄电池极板连续生产线的码垛机器人是一种特殊的直角坐标搬运机器人,本文以此种机器人为例,研究机器人控制方法。蓄电池极板连续生产线的特点是同时输出两垛料,需要机器人能同时将两垛料取出并搬运至目标位置。传统直角坐标机器人三轴(x轴、Y轴、Z轴）的机械结构显然不能满足这样的应用需求,因此设计了能满足此种应用需求的特殊机器人,机器人结构简化如图1所示。

机器人共包含5个轴,Y1、Z1机械臂和Y2、Z2机械臂共用一个x轴,Y1、Z2机械臂和Y2、Z2机械臂需要分别独立动作,执行搬运任务。Y1、Z1机械臂和Y2、Z2机械臂末端分别安装了一个夹持装置,由电磁阀控制气缸动作对物料进行夹持。同时,为了适应多变的生产环境,机器人不仅要满足基础的搬运功能,还要具备碰撞保护、一键复位、一键启动等功能。

1控制系统的硬件平台搭建

本文案例选用的运动控制器为欧姆龙Nx1P2-1140DT,具备多轴运动控制功能,循环周期最短为1ms。控制器扩展了I/O模块,用于传感器信号的输入以及电磁阀控制信号的输出。控制器通过Ethernet与一块触摸屏通信实现人机交互,其功能包括参数设置、状态显示、配方设置、手动操作、路径示教等,触摸屏型号为台达DOP-B07E415。控制器通过EtherCAT总线与5台伺服驱动器通信,实现对机器人x轴、Y1轴、Z1轴、Y2轴、Z2轴的控制。伺服系统选用台达ASD-A2系列,具有较好的实时性和动态响应特性:伺服电机均安装绝对值编码器,设备断电时可保存机械臂位置信息。

2数据结构分析

实现机器人运动控制的核心为运动轨迹控制,把运动轨迹称作路径(Route）。运动轨迹是由空间中一个一个确定的点组成的,把这些点称作坐标(Coord）。坐标(Coord）包含的最基本信息显然是位置信息,包括x、Y1、Z1、Y2、Z2五个轴的位置信息,分别用x、y1、z1、y2、z2表示:除位置信息外,坐标(Coord）还应该包含运动信息,包括运动至当前坐标的速度(speed）、加速度(acc）、减速度(dec）:为了使运动轨迹更平滑,提高工作效率,还需要引入一个轨迹控制精度的概念,即当前坐标位置执行完成的提前量(advance）:机器人要完成具体的搬运任务,需要对机械臂安装的各类工装进行控制,除此之外,各种复杂的应用场合需要机器人实现各种特殊的功能,因此,还需要引入一个动作的概念,当机器人完成当前坐标运动后,需要执行一定的动作(action）。由此,我们提出一个结构体coord,其元素为(x,y1,y2,z1,z2,speed,acc,dec,advance,action）。

假设实际生产应用中,完成一个搬运工作的运动轨迹最大由20个坐标(Coord）组成,那么数组ARRAY[1..20]OFcoord就是可以完全描述这段运动轨迹的路径(Route）。

3机器人运动控制原理

机器人的控制原理主要部分如图2所示。执行第I步时,控制器向各个轴下发当前步的运动控制命令:控制命令通过一个命令执行过滤器(fi1ter）,当前轴上一步目标位置和当前步目标位置一致,且前当轴正在运动时,则不执行运动命令,否则执行当前步运动命令:当所有轴的当前位置距离目标位置在轨迹控制精度(advance）范围内时,则认为当前步位置命令完成,开始执行当前步动作命令:当前步动作命令执行完成后,开始执行下一步运动命令。

4系统状态控制设计

图3为本文案列的状态转移图,以层级式状态机思维描述了系统在各状态之间转移的方向。在"初始状态",系统可通过外部"自动模式"旋钮切换至"自动状态":"自动状态"下,可通过外部"启动"按钮进入"自动回原点状态":在"自动回原点状态"中,机器人将根据当前空间位置,选择合适的回原点路径进行回原点动作:回原点动作完成后,系统自动进入"自动待机状态",按下外部"启动"按钮后,机器人进入"自动运行状态",机器人执行循环搬运工作:可随时通过外部"停止"按钮进入"自动待机状态",亦可随时通过外部"启动"按钮使机器人重新进入"自动运行状态",执行搬运工作:机器人在搬运过程中出现碰撞报警时,将自动进入"力矩超限状态",以极慢的速度避让障碍物并报警,随后系统自动进入"自动回原点状态"。

通过对机器人需求的分析,确定机器人需要实现的功能,按功能划分机器人的各个系统状态,通过层级式状态机思维描述系统状态的转移方向,最终实现了操作简单、使用灵活,并具备碰撞保护功能的机器人系统设计。

5结语

本文结合实际案例,介绍了一种多轴直角坐标搬运机器人的通用控制方法。经过设备在实际生产实践中的验证,证明了此种控制方法是可靠、高效、稳定的,可以作为一种多轴直角坐标搬运机器人的通用控制方法。