基于快速搜索隨機(jī)樹的薄片元件拾取機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭水林，李守軍※，王志銘

（1. 宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇宿遷 223800；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院， 江蘇徐州 221116）

0 引言

以散列薄片狀微型元件為基礎(chǔ)的構(gòu)件裝配，受制于散列元件的拾取精度和拾取效率，難以匹配末端產(chǎn)品對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)件的時(shí)效需求[1]。為解決這種困難，宿遷學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制了基于振動(dòng)送料盤的散列元件拾取裝置，其震動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)散列薄片元件沿螺旋軌道順序排列并推擠前進(jìn)，后經(jīng)位于軌道末端的傳感器感知并由PLC 啟動(dòng)機(jī)械手夾取微型薄片元件。其次，機(jī)械手路徑規(guī)劃是系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件[2-3]，如何選擇合適的方法確定機(jī)械手不同自由度下關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)于優(yōu)化電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義[4]。

本文將從協(xié)調(diào)送料取料動(dòng)作次序，保障送件取件時(shí)空的有效配合，提高機(jī)械手對(duì)薄片狀散列微型元件拾取的快速性和準(zhǔn)確性等層面出發(fā)，研究路徑規(guī)劃實(shí)施思路、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、機(jī)械手控制工藝及基于其的軟件設(shè)計(jì)方法。

1 微型薄片元件拾取機(jī)電裝置

拾取裝置包括振動(dòng)送料盤和五自由度機(jī)械手兩個(gè)組成部分，如圖1所示。振動(dòng)送料盤裝置是為提高薄片元件拾取效率所研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。振動(dòng)送料盤設(shè)計(jì)有螺旋形軌道，微型薄片元件在震動(dòng)能量的驅(qū)動(dòng)下沿軌道螺旋上升，散列元件在軌道中順序排隊(duì)并推擠前進(jìn)直到軌道末端，然后振動(dòng)盤停止振動(dòng)，等待機(jī)械手取件。取件機(jī)械手部分包括金手指、手臂、手腕、X軸平移氣缸、Y軸伸縮氣缸、 擺臂氣缸、直角坐標(biāo)標(biāo)尺和導(dǎo)向構(gòu)件等。

圖1 微型薄片元件拾取機(jī)電裝置主體

上述兩個(gè)組成部分通過(guò)光電開關(guān)接口進(jìn)行信號(hào)耦合，即圖中的對(duì)射式光電接近開關(guān)。當(dāng)振動(dòng)送料盤中的微型薄片元件到達(dá)取料位置時(shí)，接近開關(guān)的檢測(cè)信號(hào)將啟動(dòng)機(jī)械手完成元件的拾取動(dòng)作。

2 拾取系統(tǒng)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)微型薄片元件機(jī)械手機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)分析與控制工藝分析的基礎(chǔ)上，研究電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。將可靠高效作為設(shè)計(jì)總的指導(dǎo)原則，并將易于升級(jí)優(yōu)化作為設(shè)計(jì)方向[5]。

微型薄片狀元件機(jī)械手拾取系統(tǒng)的控制部基于PLC 實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，以便于升級(jí)擴(kuò)展為原則選擇合適的元器件，搭建工業(yè)以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，完成系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，如圖2所示。所用工具軟件主要包括MicroWin Step7編程軟件，MCGSE 嵌入式組態(tài)軟件。主要硬件設(shè)備如下。

圖2 拾取系統(tǒng)電控原理

（1）PLC：西門子S7-200 CPU226CN，24DI/16DO。

（2）觸摸屏：深圳昆侖通態(tài)MCGS 6061Ti，24 V。

（3）RS-485 IEEE 802.11a/b/g/n 無(wú)線設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器：MOXA NPort IAW5000 A。

（4）正弦波矢量控制器：用于振動(dòng)盤控制。

（5）歐姆龍繼電器：用于控制電磁閥的通斷電。

（6）振動(dòng)盤控制器：振動(dòng)幅度可調(diào)的全波/半波，220 V交流供電。

（7）2 位5 通電磁閥組：天啟氣動(dòng)XINDE DC 24 V，用于控制機(jī)械手關(guān)節(jié)的伸縮、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

（8）光電開關(guān)：歐姆龍對(duì)射式接近開關(guān)，檢測(cè)距離可調(diào)（0～1.5 m）。

本設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)特點(diǎn)。

（1）采用串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)跨協(xié)議組網(wǎng)。RS458 和工業(yè)以太網(wǎng)是兩種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)MOXA NPort IAW5000A RS485 可以配置達(dá)6 個(gè)串口I/O 服務(wù)器，連接串口和以太網(wǎng)設(shè)備至IEEE 802.11 a/b/g/n網(wǎng)絡(luò)。

（2）精簡(jiǎn)了機(jī)械手自由度數(shù)量。為提高機(jī)械手拾取效率，研究了基于RRT（Rapid Random Tree）避障算法的可視化分析與測(cè)量方法，通過(guò)減少無(wú)關(guān)氣缸運(yùn)動(dòng)達(dá)到精簡(jiǎn)自由度的目的。下文將給出基于RRT算法的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)。

（3）方便與上下游設(shè)備通信連接。微型薄片元件機(jī)械手拾取裝置是生產(chǎn)線的一個(gè)組成部分，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息共享，本文給出了以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式，方便設(shè)備之間通信連接。

3 軌跡規(guī)劃與軟件設(shè)計(jì)

微型薄片狀元件拾取機(jī)電裝置具有多個(gè)自由度，其包含多個(gè)氣缸，具有多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。雖然機(jī)械手拾件過(guò)程具有多種可能路徑，但考慮到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)避障問(wèn)題[6]，本設(shè)計(jì)基于成熟的快速搜索隨機(jī)樹避障算法給出一種軌跡的逆向求解方法[7]。

3.1 基于RRT算法的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

在眾多的路徑規(guī)劃算法中，快速搜索隨機(jī)樹（RRT）算法是一種較為高效的隨機(jī)搜索算法[8]，自從提出以來(lái)，深受廣大科研人員的青睞。為描述RRT 算法避障算法，需要給出算法中用到的變量：SampleFree 表示互不干涉均勻分布的樣本；ObstaleFree（xs，xe）用于判斷起始位置xs和終點(diǎn)位置xe所生成的路徑有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)避障，有則返返回1，否則返回0；Steer（xs，se）表示以一定步長(zhǎng)從起始位置xs往終點(diǎn)位置xe方向搜索，搜索到新點(diǎn)xnew；Nearest（V，x）獲得路徑集合V中距離路徑點(diǎn)x最近的一個(gè)點(diǎn)v。則基于隨機(jī)樹方法的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 拾取系統(tǒng)電控原理

RRT算法中，路徑點(diǎn)位置為：

式中：ρ1為隨機(jī)點(diǎn)擴(kuò)展的步長(zhǎng)；ρ2為目標(biāo)點(diǎn)擴(kuò)展的步長(zhǎng)。

采用RRT 避障算法，基 于 MATLAB Robotic Toolbox建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將傳送帶作為障礙物，給定機(jī)械手起點(diǎn)和終點(diǎn)位置p0和pd，進(jìn)行仿真得到圖4 所示結(jié)果，給出多種可行的路徑，從中選擇路徑最短的路徑作為最優(yōu)路徑。

圖4 拾取系統(tǒng)機(jī)械手避障路徑

對(duì)于手臂5 個(gè)自由度的路徑變化，得到不同避障情況下的路徑點(diǎn)。其中，圖5所示為機(jī)械手的大臂（提升臂）、小臂（擺臂）、手腕等3個(gè)關(guān)節(jié)在傳送帶障礙物下的運(yùn)動(dòng)路徑圖。通過(guò)理論分析與實(shí)際測(cè)量的路徑幾乎完全一致，說(shuō)明采用RRT避障算法是可行的，在障礙物位置確定的情況下，可以取得較理想的規(guī)劃效率，用以指導(dǎo)控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)。

圖5 拾取系統(tǒng)機(jī)械手3關(guān)節(jié)位置

3.2 微型薄片狀元件機(jī)械手拾取控制工藝

由第3.1 節(jié)中的機(jī)械手避障問(wèn)題分析，可以通過(guò)合理的機(jī)械手的位置安裝，精簡(jiǎn)掉部分自由度，使機(jī)械手通過(guò)盡可能少的關(guān)節(jié)動(dòng)作完成元件的拾取過(guò)程，其控制工藝如圖6 所示。

圖6 拾取系統(tǒng)機(jī)械手3關(guān)節(jié)位置

（1）振動(dòng)盤控制策略：根據(jù)過(guò)程控制的要求，設(shè)置振動(dòng)時(shí)間（周期）、振動(dòng)時(shí)間間隔；通過(guò)正弦波矢量控制器對(duì)振動(dòng)盤施加激勵(lì)信號(hào)；并根據(jù)螺旋軌道末端薄片狀元件的有無(wú)來(lái)控制振動(dòng)的啟動(dòng)或停止。

（2）遠(yuǎn)程過(guò)程控制：基于西門子PLC 電控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，根據(jù)機(jī)械手避障路徑設(shè)計(jì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)序列：抓料、提升、旋轉(zhuǎn)、伸出、放件、縮回等過(guò)程的自動(dòng)化控制流程。

（3）本地手動(dòng)控制：對(duì)各個(gè)動(dòng)作分解操作，對(duì)振動(dòng)盤的啟動(dòng)/停止、手抓的夾緊/松開、手臂的伸出/縮回、手臂的順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、金手指的松開/夾緊等動(dòng)作進(jìn)行獨(dú)立控制。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，本地手動(dòng)控制是必不可少的，在檢測(cè)每個(gè)自由度的可及范圍方面也是必要的。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 I/O變量分配表

確定信號(hào)的I/O 地址，對(duì)I/O 端子進(jìn)行地址分配是PLC 編程及監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。根據(jù)電控原理圖列寫I/O分配表，如表1所示。

表1 設(shè)備與PLC之間的I/O分配表

3.3.2 MCGS觸摸屏監(jiān)控軟件

觸摸屏設(shè)備與PLC 通道連接是MCGS 組態(tài)軟件配置的關(guān)鍵[9-10]。通過(guò)串口連接PLC 的COM1 與觸摸屏的通信串口，最小采樣周期100 ms，通訊等待時(shí)間500 ms。串口通訊波特率9600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，偶校驗(yàn)。

在開發(fā)過(guò)程中，需要建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行硬件設(shè)備組態(tài)與通道連接調(diào)試，包括通信調(diào)試和I/O 信號(hào)連接調(diào)試。然后，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與通道之間的讀寫關(guān)聯(lián)，完成觸摸屏與PLC之間的雙向通信連接。開發(fā)的軟件主界面如圖7所示，包括元件計(jì)數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警查詢、手動(dòng)/自動(dòng)控制等主要功能。

圖7 MCGS觸摸屏監(jiān)控軟件

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）綜合了PLC、繼電器、電磁閥等控制與執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)械手臂與振動(dòng)給料盤的協(xié)調(diào)控制，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡研究和路徑優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的高效控制。

（2）給出了電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃、控制器選型及其端口定義。研究了基于RRT 避障算法的可視化分析方法，提出一種可行的路徑規(guī)劃實(shí)施方案。

（3）軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了精簡(jiǎn)自由度后的機(jī)械手拾取工藝，定義出PLC編程與監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)所需要的I/O分配表，并通過(guò)嵌入式MCGS 組態(tài)軟件完成了觸摸屏監(jiān)控軟件的開發(fā)。