搬運機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計及界面功能開發(fā)

□ 郭井寬

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 設(shè)計背景

隨著工業(yè)機器人的發(fā)展,搬運機器人由于負(fù)載大、工作范圍大等特點,被廣泛應(yīng)用于汽車加工生產(chǎn)、包裝碼垛、柔性化自動生產(chǎn)線中。特別是在工作環(huán)境較為惡劣的環(huán)境中,搬運機器人的應(yīng)用更為廣泛。

開放式機器人控制系統(tǒng)采用模塊化、層次化的控制體系結(jié)構(gòu),利用各個模塊的兼容性和通信的一致性進(jìn)行構(gòu)建,具有獨立的操作平臺、統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口、風(fēng)格一致的用戶界面,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行模塊擴展,配置靈活方便,適應(yīng)性強。

搬運機器人的應(yīng)用廣泛,碼垛工藝是搬運機器人的研究熱點。開發(fā)基于搬運或碼垛等通用需求的控制系統(tǒng)及用戶界面,在實現(xiàn)驅(qū)動、自動運行、通用設(shè)置、密碼服務(wù)、傳送、信息維護(hù)等搬運機器人通用功能的同時,具備垛型設(shè)計、自動碼垛、運輸線設(shè)計等專用功能,具有重要意義。

筆者采用開放式機器人控制系統(tǒng)架構(gòu),通過分析搬運機器人的應(yīng)用需求,結(jié)合硬件及軟件設(shè)計經(jīng)驗,對搬運機器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,對其界面功能進(jìn)行開發(fā),并進(jìn)行有效性驗證,為搬運機器人在碼垛領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 控制器硬件設(shè)計

搬運機器人控制系統(tǒng)的硬件主要由控制器和示教器兩部分組成,控制器實現(xiàn)運動控制算法、碼垛算法、數(shù)據(jù)存儲等功能,示教器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的顯示。

2.1 工業(yè)主板

為了降低成本,采用CAPA842工業(yè)主板作為控制器硬件平臺。這一主板采用主頻高達(dá)2 GHz的J1900四核處理器,具有4 GByte DDR3L內(nèi)存和128 GByte固態(tài)硬盤,包含兩路RS 232、RS 422、RS 485復(fù)用接口,兩路RS 232接口,兩路10 MBit/s、100 MBit/s、1 000 MBit/s復(fù)用網(wǎng)口,四路通用串行總線接口,八路輸入、輸出接口,具有視頻圖形陣列、高清多媒體接口雙顯示功能,具備一條CFast卡卡槽、一條用戶識別卡卡槽、一個全高M(jìn)ini PCI-E接口、一個半高M(jìn)ini PCI-E接口。全高M(jìn)ini PCI-E接口可外接固態(tài)硬盤,半高M(jìn)ini PCI-E接口可外接無線保真模塊、控制器局域網(wǎng)等擴展模塊。CAPA842工業(yè)主板如圖1所示。

▲圖1 CAPA842工業(yè)主板

2.2 擴展板

為了方便供電,并且與驅(qū)動器、手持操作盒等搬運機器人其它部件進(jìn)行可靠通信,在主板的基礎(chǔ)上開發(fā)了一塊擴展板,實現(xiàn)主板資源的最大化利用。擴展板具有電壓轉(zhuǎn)換功能,包含一路RS 232、RS 422、RS 485復(fù)用接口,兩路RS 232接口,兩路通用串行總線接口,八路輸入、輸出接口。擴展板如圖2所示。

▲圖2 擴展板

2.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

CAPA842工業(yè)主板采用+12 V電壓供電,為了與輸入輸出模塊、手持操作盒供電方式一致,設(shè)計了24 V轉(zhuǎn)12 V的電壓轉(zhuǎn)換模塊。采用URB2412_YMD型DC-DC模塊,這一模塊體積小巧,輸出功率為20 W,具有4∶1超寬電壓輸入范圍,效率高達(dá)90%,常規(guī)隔離電壓為1 500 V,同時具有輸出過壓、輸出過流、輸出短路、過溫等保護(hù)功能。電壓轉(zhuǎn)換模塊原理如圖3所示,其中瞬態(tài)二極管D4用于吸收浪涌功率,SMD1、R5、C9用于電磁屏蔽測試,C10、L1、C1、C12用于電磁干擾濾波。

▲圖3 電壓轉(zhuǎn)換模塊原理

2.4 串口保護(hù)電路

串口保護(hù)電路原理如圖4所示。將主板上一路RS 232、RS 422、RS 485復(fù)用接口引出至擴展板,并加入共模扼流線圈NF1濾除信號線上的共模電磁干擾,兩個瞬態(tài)二極管D7、D10用于吸收浪涌功率。

▲圖4 串口保護(hù)電路原理

2.5 通用串行總線接口保護(hù)電路

通用串行總線接口保護(hù)電路原理如圖5所示。將主板上兩路通用串行總線接口引出,加入瞬態(tài)電壓抑制二極管D11,用于抑制靜電、脈沖群、閃絡(luò)對高速數(shù)據(jù)的干擾。

▲圖5 通用串行總線接口保護(hù)電路

2.6 輸入輸出光耦隔離電路

主板提供八路輸入、輸出接口供用戶自由配置。根據(jù)搬運機器人的工作需求,設(shè)置為六路輸入和兩路輸出,分別加入光耦隔離保護(hù)。

輸入光耦隔離電路原理如圖6所示。當(dāng)輸入端DI外接高電平,公共端IN_COM接地時,光耦U2導(dǎo)通,MI1端為低電平,接至主芯片輸入端。反之,MI1為高電平。開關(guān)二極管D2用于防止靜電釋放干擾。

▲圖6 輸入光耦隔離電路原理

輸出光耦隔離電路原理如圖7所示。當(dāng)輸出端MO1輸出低電平時,光耦U9導(dǎo)通,此時通過外部輸出端DO1和公共端OUT_COM之間所加電壓,可以控制外部繼電器的開與關(guān)。

3 示教器硬件設(shè)計

示教器硬件部分包括液晶屏驅(qū)動板、觸摸屏驅(qū)動板、信號轉(zhuǎn)接板,液晶屏驅(qū)動板用于視頻圖形陣列顯示、驅(qū)動液晶屏點亮,觸摸屏驅(qū)動板用于觸控,信號轉(zhuǎn)接板用于電壓轉(zhuǎn)換、薄膜按鍵信號通信、急停/使能/模式選擇信號通信。示教器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

▲圖8 示教器硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 軟件設(shè)計

搬運機器人控制系統(tǒng)軟件主要包括回零、直接驅(qū)動、連續(xù)運動控制、通信等功能模塊,能夠梳理自動控制線程、手動控制線程等重要流程,確保運行安全穩(wěn)定。搬運機器人控制系統(tǒng)軟件功能框圖如圖9所示。

▲圖9 搬運機器人控制系統(tǒng)軟件功能框圖

搬運機器人控制系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

▲圖10 搬運機器人控制系統(tǒng)軟件流程

(1) 初始化及建立通信。系統(tǒng)運行開始后,首先進(jìn)行初始化,完成相關(guān)參數(shù)配置文件的載入。然后進(jìn)入機器人類型選擇界面,軟件預(yù)置了不同類型及型號的機器人模型,通過點擊圖片選擇,即可載入相應(yīng)的機器人參數(shù)配置文件,并依據(jù)參數(shù)文件對硬件進(jìn)行配置。機器人選擇完成后,軟件與驅(qū)動器、數(shù)字量輸入輸出模塊等硬件建立通信。

(2) 開機診斷。通信建立流程完成后,返回結(jié)果并進(jìn)行診斷。若通信建立失敗,則報出相應(yīng)錯誤代碼、診斷結(jié)果及解決策略。若通信建立成功,則進(jìn)入機器人尋零界面,同時執(zhí)行機器人故障檢測任務(wù)。故障檢測任務(wù)獨立循環(huán)執(zhí)行,直至系統(tǒng)運行結(jié)束。

(3) 機器人尋零。由于采用的電機編碼器為無電池式絕對位置編碼器,在系統(tǒng)斷電后不能記憶位置值,因此每次開機均需要進(jìn)行尋零操作。進(jìn)入機器人尋零界面后,點擊啟動按鈕,機器人開始執(zhí)行尋零程序。

(4) 功能選擇。機器人尋零完成后進(jìn)入主界面,主界面中可以選擇自動運行、直接驅(qū)動、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)設(shè)置等功能,選擇后進(jìn)入相應(yīng)的流程。

選擇自動運行,則系統(tǒng)切換至自動運行模式,完成各軸驅(qū)動器使能、輸送帶控制程序開啟、抓手松開等一系列初始化操作,并載入當(dāng)前碼垛數(shù)據(jù)塊,根據(jù)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)計算碼垛過程的位置點。計算過程包括機器人運動學(xué)逆解、托盤坐標(biāo)系至世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、避障點計算等,然后等待啟動按鈕。

選擇直接驅(qū)動,則系統(tǒng)切換至手動運行模式,確認(rèn)各軸使能斷開,載入各軸運動參數(shù),切換各軸至JOG運動模式,然后等待使能開關(guān)按下。若使能開關(guān)沒有按下,則在界面上點擊正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕無響應(yīng)。若使能開關(guān)按下,則各軸使能,正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕有效,各軸可執(zhí)行JOG運動。設(shè)置合理的高速、中速、低速數(shù)值,通過切換速度,使示教過程高效、準(zhǔn)確。通過直接驅(qū)動到達(dá)目標(biāo)位置后,無論先松開使能按鈕還是先松開正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕,機器人均可正常停止運行。

選擇數(shù)據(jù)管理,系統(tǒng)從數(shù)據(jù)塊列表中讀取數(shù)據(jù)塊內(nèi)容,顯示在界面上?？梢栽谠辛斜砗笮陆〝?shù)據(jù)塊,流程如下:選中列表中的第一個空數(shù)據(jù)塊索引值,該數(shù)據(jù)塊變?yōu)榭删庉嫚顟B(tài);輸入數(shù)據(jù)塊名稱,選取抓手編碼;進(jìn)入示教頁面,通過直接驅(qū)動機器人各軸進(jìn)行示教操作,記錄抓取中心、托盤中心、托盤方向等碼垛過程中的位置點,頁面提示結(jié)果是否保存成功;進(jìn)行垛型創(chuàng)建,設(shè)置垛型參數(shù),如層數(shù)、步數(shù)、產(chǎn)品尺寸、凸出余量等,點擊生成垛型,并采用圖形化操作進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等微調(diào);完成上述操作,數(shù)據(jù)塊內(nèi)容完整保存至數(shù)據(jù)塊列表,并可斷電保持。

(5) 程序退出。各功能流程完成后,返回主界面,選擇關(guān)機,則斷開通信,退出程序,關(guān)閉系統(tǒng)。

5 界面功能

搬運機器人控制系統(tǒng)共有直接驅(qū)動、自動運行、通用設(shè)置、密碼服務(wù)、機器人系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、信息維護(hù)七個界面功能。其中,機器人系統(tǒng)界面包括數(shù)據(jù)管理、垛型創(chuàng)建、示教編程等子界面,主要對搬運過程及碼垛工藝進(jìn)行操作;輸送系統(tǒng)界面主要根據(jù)現(xiàn)場情況對傳送線進(jìn)行設(shè)計,對相應(yīng)的信號進(jìn)行監(jiān)控;信息維護(hù)界面具有歷史信息記錄、故障診斷、更新幫助等功能,主要對運行過程中的故障信息進(jìn)行報警診斷,對搬運機器人的歷史操作進(jìn)行記錄。

5.1 直接驅(qū)動功能

搬運機器人控制系統(tǒng)具有直接驅(qū)動功能,可以通過示教器對搬運機器人的各軸進(jìn)行直接驅(qū)動操作。

5.2 自動運行功能

在50 kg負(fù)載、80%額定速度的正常運行環(huán)境下,搬運機器人控制系統(tǒng)可以按照事先設(shè)定的垛型及參數(shù),正常循環(huán)運行。自動運行界面如圖11所示。

▲圖11 自動運行界面

5.3 通用設(shè)置功能

搬運機器人控制系統(tǒng)具備通用設(shè)置功能,主要實現(xiàn)串口、網(wǎng)口通信參數(shù)的設(shè)置,以及搬運機器人抓手的相關(guān)編碼設(shè)置,支持串口RS 232、RS 485兩種類型通信,網(wǎng)口支持傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議、以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)兩種通信方式。通用設(shè)置界面如圖12所示。

▲圖12 通用設(shè)置界面

5.4 機器人系統(tǒng)功能

機器人系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)管理、垛型創(chuàng)建、示教編程等。碼垛過程數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊形式存儲,每個數(shù)據(jù)塊包含名稱、抓手編碼、抓取中心、托盤中心、設(shè)計垛型等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)管理功能,可以方便地對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行新建、復(fù)制、刪除、修改、上下翻頁查看等。在垛型創(chuàng)建功能中,搬運機器人控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)了五種垛型,并且可以進(jìn)行個性化刪減與調(diào)整。結(jié)合現(xiàn)場托盤尺寸、產(chǎn)品尺寸等,能夠快捷生成符合要求的垛型數(shù)據(jù)塊。示教編程功能主要是對各軸位置及生成碼垛的關(guān)鍵點,如抓取中心、托盤中心、托盤方向等進(jìn)行示教編程操作。垛型創(chuàng)建子界面如圖13所示。

▲圖13 垛型創(chuàng)建子界面

5.5 輸送系統(tǒng)功能

根據(jù)現(xiàn)場輸送系統(tǒng)的情況,可以自由創(chuàng)建傳送線段,并綁定開關(guān)量,用于控制輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)界面如圖14所示。

▲圖14 輸送系統(tǒng)界面

5.6 信息維護(hù)功能

信息維護(hù)功能包括歷史信息記錄、故障信息、更新幫助界面等。通過歷史信息記錄功能,可以對碼垛時數(shù)據(jù)塊的運行次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。通過故障信息功能,可以顯示搬運機器人當(dāng)前故障,并記錄至故障信息列表,記錄內(nèi)容包括故障發(fā)生時間、故障代碼、故障累計發(fā)生次數(shù)、故障解決策略。

6 測試驗證

采用四軸平行機構(gòu)搬運機器人對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行測試驗證,在50 kg負(fù)載、80%額定速度正常運行環(huán)境下,搬運機器人能夠按照事先設(shè)定的垛型及參數(shù)正常循環(huán)運行,驗證了設(shè)計的正確性和合理性。

7 結(jié)束語

筆者對搬運機器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,對界面功能進(jìn)行了開發(fā),并通過四軸平行機構(gòu)搬運機器人進(jìn)行了測試驗證,確認(rèn)了設(shè)計的合理性,具有推廣價值。