基于PC-Interface的機(jī)器人拆卸操作仿真研究

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(1．蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2．常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；3.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500；4．蘇州市汽車綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500)

0 引言

隨著我國工業(yè)化程度的提高和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生產(chǎn)和生活的廢棄物也大量增加，資源的短缺和環(huán)境的惡化直接影響到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。所以堅(jiān)持節(jié)約資源的基本國策，發(fā)展再生資源回收加工利用產(chǎn)業(yè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

我國廢舊產(chǎn)品的拆解工作才剛剛起步，存在著拆解工具落后、拆解手段原始、污染環(huán)境等問題[2]。隨著勞動(dòng)力成本的不斷增加，傳統(tǒng)的拆卸模式會(huì)逐漸被淘汰。在此基礎(chǔ)上，提出使用機(jī)器人代替人工拆卸，不但可提高廢舊產(chǎn)品的處理效率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高有價(jià)值工件的回收率，在形成一定量的規(guī)模后，還能降低廢舊產(chǎn)品的拆卸回收成本。

國內(nèi)外對(duì)此也有許多的相關(guān)研究。新南威爾士大學(xué)、阿利坎特大學(xué)都對(duì)基于工業(yè)機(jī)器人的廢舊產(chǎn)品拆卸進(jìn)行了相關(guān)的理論和技術(shù)研究[3-4]。德國柏林工業(yè)大學(xué)對(duì)制造過程中的運(yùn)動(dòng)和人體工程學(xué)進(jìn)行了研究，通過所獲得的信息反過來指導(dǎo)和幫助工人，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，勞動(dòng)成本和減少生產(chǎn)錯(cuò)誤[5]。

南京航空航天大學(xué)的劉清波將機(jī)器人應(yīng)用于報(bào)廢汽車處理過程，提出了虛擬環(huán)境下研究報(bào)廢汽車拆解和機(jī)器人動(dòng)作仿真的方法[6]。但其整個(gè)系統(tǒng)比較臃腫，不具有靈活性。燕山大學(xué)的李海龍以ABB IRB1410型串聯(lián)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配合高清工業(yè)攝像機(jī)和六維力傳感器開發(fā)了軟件集成控制系統(tǒng)，并針對(duì)裝配作業(yè)中的花鍵軸與花鍵套裝配任務(wù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了柔順裝配系統(tǒng)的可行性、有效性[7]。浙江大學(xué)的吳濤研究了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于切削加工的離線編程技術(shù)，開發(fā)了IRB6600型機(jī)器人切削加工離線編程軟件，主要包括代碼轉(zhuǎn)換模塊和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，同時(shí)研究了機(jī)器人切削加工軌跡的位姿校正方法，并驗(yàn)證了離線編程方法和各功能模塊的正確性[8]。

在此，采用了瑞士ABB公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人作為廢舊產(chǎn)品拆卸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以廢舊的鉛酸蓄電池為拆卸對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了用機(jī)器人代替手工的拆卸工作，并通過RobotStudio軟件對(duì)整個(gè)拆卸過程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了本次研究的合理性和可行性。

1 廢舊產(chǎn)品機(jī)器人拆卸的總體方案

為了獲取每個(gè)鉛酸蓄電池中鉛板的位置信息，以及方便機(jī)器抓手抓取鉛板，在工作開始之前，會(huì)預(yù)先將廢舊鉛酸蓄電池的上蓋分離開。這樣，工控機(jī)通過Kinect視覺設(shè)備，可以準(zhǔn)確地獲得每塊鉛板的具體位置信息。配合機(jī)器人夾具的尺寸信息和夾取的姿態(tài)信息，計(jì)算出每塊鉛板的夾取位置坐標(biāo)，再選取幾個(gè)適當(dāng)?shù)臒o干涉中轉(zhuǎn)點(diǎn)，就可以規(guī)劃出每塊鉛板的移出路徑。將路徑信息發(fā)送給機(jī)器人控制器，就可以精確控制機(jī)器人將每塊鉛板按照指定的路徑夾取移出到指定位置的容器中。拆卸方案如圖1所示。

圖1 廢舊產(chǎn)品機(jī)器人拆卸方案

本次研究采用了ABB公司的型號(hào)為IRB1600機(jī)器人，它是目前使用率比較高的標(biāo)準(zhǔn)的多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人，在自動(dòng)化生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各種拆卸、焊接、物料搬運(yùn)、裝配、噴涂、精加工、拾料和貨盤堆垛等工作。它的承載能力為10 kg，工作范圍能夠達(dá)到 1.45 m，具有6個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，具備高精度、易操作和多功能等特點(diǎn)，比較合適本次研究工作。

IRC 5 控制器是 ABB獨(dú)有的適用于機(jī)器人工作站的集成控制柜，它具有優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)控制能力，并配有用于人機(jī)交互的FlexPendant示教器，使用了高度靈活的RAPID語言作為機(jī)器編程語言，具有強(qiáng)大的通信能力及占地面積最小化等特點(diǎn)。RobotStudio是ABB公司針對(duì)ABB機(jī)器人開發(fā)的一款機(jī)器人仿真軟件，其可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的離線編程和機(jī)器人控制系統(tǒng)的仿真，并支持微軟Visual Studio開發(fā)應(yīng)用程序的機(jī)器人仿真軟件。

2 基于PC-Interface的拆卸仿真

2.1 拆卸仿真的數(shù)據(jù)流程

PC-Interface是ABB機(jī)器人上的一個(gè)付費(fèi)選項(xiàng)，其可使得機(jī)器人控制器和PC機(jī)之間通過以太網(wǎng)來建立信息通訊。通過該接口，機(jī)器人控制器可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，便于操作人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行備份、生產(chǎn)信息的統(tǒng)計(jì)等操作。RobotStudio軟件也可以通過該接口協(xié)議與機(jī)器人進(jìn)行通信。

擁有PC-Interface接口選項(xiàng)的ABB機(jī)器人，配合ABB公司給出的PC SDK，用戶就可以在PC機(jī)上開發(fā)獨(dú)立的用戶界面程序來操控ABB機(jī)器人。但是ABB提供的PC SDK只支持Visual Basic和C# 2種編程語言。本次研究采用的是C#編程語言來編寫?yīng)毩⒌挠脩艚缑娉绦颉?/p>

用戶程序的架構(gòu)如圖2所示。應(yīng)用程序通過預(yù)先定義好的PC SDK和API函數(shù)發(fā)出指令，經(jīng)過.NET平臺(tái)的解析編譯，發(fā)送給Windows操作系統(tǒng)，再通過以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)機(jī)器人控制器，就可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的控制器包括真實(shí)的控制器和通過RobotStudio創(chuàng)建的虛擬控制器，并且1個(gè)應(yīng)用程序可以同時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)上的多臺(tái)機(jī)器人控制器。值得注意的是，PC應(yīng)用程序作為遠(yuǎn)程客戶端需要先獲取機(jī)器人操作權(quán)限后才能操控機(jī)器人，而這時(shí)的控制器必須處于自動(dòng)操作模式。

圖2 用戶程序架構(gòu)

2.2 路徑規(guī)劃

機(jī)器人在完成指定任務(wù)時(shí)，需要事先在空間中規(guī)劃出機(jī)器人期望的運(yùn)動(dòng)路徑或者軌跡。在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的起始位置和期望的最終目標(biāo)位置是知道的，整個(gè)作業(yè)的環(huán)境也是確定的。不考慮動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響，機(jī)器人在完成指定任務(wù)時(shí)，只需在存在障礙的靜態(tài)環(huán)境中規(guī)劃出無干涉、無碰撞的運(yùn)動(dòng)路徑，再結(jié)合時(shí)間或能量最少原則，則可以規(guī)劃出1條最優(yōu)路徑。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑通常是由直線段、圓弧段和各個(gè)軸的周轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)這3種路徑組成的。為了在空間中規(guī)避障礙物，可以在規(guī)劃的路徑中增加一系列的中間點(diǎn)，使路徑繞過障礙物到達(dá)終點(diǎn)。在速度一定的前提下，若要使運(yùn)行時(shí)間最短，則規(guī)劃的路徑就必須是最短的。由于2點(diǎn)之間直線段最短，所以在每2個(gè)相鄰的路徑點(diǎn)之間，以直線段進(jìn)行連接則最為合理。

在仿真的環(huán)境中，機(jī)器視覺并不能夠得到應(yīng)用，所以整個(gè)操作環(huán)境中，路徑的起點(diǎn)、終點(diǎn)及障礙的位置信息是事先給出的。路徑的規(guī)劃可以快速并且無干涉地將拆卸的對(duì)象移出到指定位置的容器中。路徑規(guī)劃如圖3所示。在規(guī)劃路徑時(shí)，為了能夠避開障礙物，需要在起點(diǎn)的上方選取1個(gè)中間點(diǎn)1，2點(diǎn)之間的高度差為操作對(duì)象的高度加上合適的安全距離。安全距離可以防止操作對(duì)象在平移過程中與其他物體產(chǎn)生碰撞或干涉。在指定容器的上方選取1個(gè)中間點(diǎn)2，可以將對(duì)象移動(dòng)到指定容器的上方，之后再移動(dòng)到終點(diǎn)，就可以避開容器的邊沿，將對(duì)象放置到收集容器中。

圖3 路徑規(guī)劃

2.3 拆卸仿真

本文的拆卸對(duì)象為廢舊的鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池是目前世界上產(chǎn)量最大、用途最廣的一種電池。這類電池的污染主要是重金屬鉛和電解質(zhì)溶液的污染[9]。所以有必要對(duì)廢舊的鉛酸蓄電池進(jìn)行拆卸回收。但是鉛酸蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是含有硫酸的水溶液，不適合人體對(duì)其進(jìn)行直接接觸，所以使用機(jī)器人來完成廢舊鉛酸蓄電池的拆卸工作。為了能夠使機(jī)器人方便地夾取出廢舊鉛酸蓄電池中的鉛板，要事先先去除廢舊鉛酸蓄電池的上蓋。

本次研究中，利用RobotStudio的仿真系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)操作流程進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。通過RobotStudio仿真軟件建立的虛擬仿真系統(tǒng)，與真實(shí)的機(jī)器人系統(tǒng)在控制功能和方式上幾乎沒有差異，可以通過ABB RobotStudio仿真系統(tǒng)來驗(yàn)證用戶界面程序的可行性和通信能力。在RobotStudio建立的虛擬機(jī)器人系統(tǒng)仿真場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 虛擬仿真系統(tǒng)

在RobotStudio的軟件中有ABB公司的各個(gè)型號(hào)的機(jī)器人庫，只需將對(duì)應(yīng)型號(hào)的機(jī)器人導(dǎo)入即可，虛擬機(jī)器人的控制系統(tǒng)也可以根據(jù)引導(dǎo)一步步設(shè)置完成。接下來就需要自主設(shè)計(jì)機(jī)器人工具，也就是這里要用到的夾具，其外觀模型需要事先在SolidWorks中設(shè)計(jì)好，導(dǎo)入進(jìn)RobotStudio后，再通過Smart組件將其配置成可用的機(jī)器人工具，安裝到機(jī)器人的末端。之后，導(dǎo)入待拆卸的物體模型和用于擺放零件的工作臺(tái)，這樣整個(gè)虛擬的仿真場(chǎng)景就布置完成。接下來打開本次開發(fā)設(shè)計(jì)的用戶界面程序，掃描網(wǎng)絡(luò)中的控制器并進(jìn)行連接，將運(yùn)動(dòng)路徑參數(shù)導(dǎo)入虛擬控制系統(tǒng)中，就可以遠(yuǎn)程操控機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)任務(wù)操作。具體仿真系統(tǒng)的建立及控制流程如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)的建立及控制流程

3 結(jié)束語

本次研究中，通過RobotStudio的仿真試驗(yàn)，可以簡(jiǎn)單、方便、快捷地完成對(duì)廢舊鉛酸蓄電池的遠(yuǎn)程操控拆卸任務(wù)。通過該次仿真，充分地驗(yàn)證了用戶界面程序具有可靠的遠(yuǎn)程通信能力和簡(jiǎn)單方便的易用性。仿真過程流暢順利，達(dá)到了工程領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

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