雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

武永強，于 濤

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院 錦州 121000）

0 引言

工業(yè)機器人在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級以及生產(chǎn)要求的提高，單個工業(yè)機器人已經(jīng)不能完全滿足某些生產(chǎn)任務(wù)的需求，雙機器人協(xié)調(diào)技術(shù)開始登上歷史舞臺[1]。

目前，工業(yè)生產(chǎn)線通常由多個工業(yè)機器人與其他設(shè)備配合搭建而成，來完成整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)任務(wù)[2]。王元生等[3]設(shè)計了一種工業(yè)機器人自動裝卸控制系統(tǒng)，但是這種工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是單個工業(yè)機器人的。曲道奎等[4]采用分層遞階結(jié)構(gòu)建立了一個3級結(jié)構(gòu)雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，但是這種控制系統(tǒng)用于工業(yè)生產(chǎn)顯得十分復(fù)雜。基于工業(yè)生產(chǎn)的需求，有必要設(shè)計一種操作簡單、安全可靠的雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。本文將在分析雙機器人協(xié)調(diào)運動的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種簡單而又實用的雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，來滿足工業(yè)生產(chǎn)需求、降低工業(yè)生產(chǎn)成本、提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

1 理論分析

1.1 雙機器人協(xié)調(diào)分類

雙機器人運動協(xié)調(diào)可以分為兩類：雙機器人同步運動協(xié)調(diào)和雙機器人相對運動協(xié)調(diào)[5]。

1）雙機器人同步運動協(xié)調(diào)：雙機器人在運動期間相對位姿關(guān)系保持不變，雙機器人之間具有很強的同步性。雙機器人相對運動協(xié)調(diào)：雙機器人在運動期間保持位姿約束和相對運動約束，雙機器人之間有很強的協(xié)調(diào)性。

1.2 雙機器人協(xié)調(diào)坐標(biāo)系建立

分析雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的機器人基座標(biāo)、末端坐標(biāo)、工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)的運動關(guān)系，建立坐標(biāo)簡圖如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)關(guān)系簡圖

雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)中有主機器人和從機器人，令主機器人為1號機器人，從機器人為2號機器人。機器人代號用i表示，i=1，2；{Ri}表示機器人的基坐標(biāo)系；{Ei}表示機器人的末端坐標(biāo)系；{Ti}表示機器人的工具坐標(biāo)系；{Wi}表示機器人的工件坐標(biāo)系。

1.3 雙機器人協(xié)調(diào)運動學(xué)分析

根據(jù)圖1所示的坐標(biāo)關(guān)系簡圖，可以得到主從機器人（即1號機器人和2號機器人）的末端坐標(biāo)相對于基座標(biāo)的變換矩陣。利用變換矩陣再根據(jù)機器人運動學(xué)反解即可求出機器人各個關(guān)節(jié)的角度，便于機器人系統(tǒng)控制各個關(guān)節(jié)角度。變換關(guān)系如下：

將式(1)和式(2)進行變形，可得：

式(3)和式(4)中，EiTTi（式中i是相同的）是機器人工具坐標(biāo)相對于末端坐標(biāo)的變換矩陣，該矩陣由機器人的末端工具決定；TiTW是工件坐標(biāo)系相對于工具坐標(biāo)系的變換關(guān)系，工件坐標(biāo)系可以根據(jù)任務(wù)需要設(shè)定，故該矩陣是一個時變矩陣；RiTW是工件坐標(biāo)相對于機器人基座標(biāo)的變換矩陣，主從機器人具有相同的工件坐標(biāo)，此處使用工件坐標(biāo)相對于主機器人的變換矩陣R1TW；R1TR2是雙機器人在基座標(biāo)標(biāo)定時唯一確定的。綜上所述，式(3)和式(4)等式右端可以唯一確定，R1TE1和R2TE2也可以由此唯一確定。通過機器人的逆解即可得到機器人各個關(guān)節(jié)的角位移，通過控制關(guān)節(jié)角位移使機器人到達(dá)該位置。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制方案

以雙機器人協(xié)調(diào)搬運為例，設(shè)計雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括PLC、觸摸屏、Robot1、Robot2和其他輔助設(shè)備。為了讓雙機器人協(xié)調(diào)更加可靠、容錯率更高，該雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線控制方式?？刂葡到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機器人、從機器人以及其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)運動關(guān)系，并接收控制系統(tǒng)的各種反饋信號。觸摸屏作為控制面板，可直接與PLC實時通訊并獲取PLC中的數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理。主從機器人以及其他設(shè)備同時受PLC的控制，也可以實現(xiàn)兩兩之間的自由通信。

觸摸屏和PLC之間用以太網(wǎng)口連接，使數(shù)據(jù)傳輸更加便捷。主從機器人均采用機器人標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC651，使用DeviceNet總線通訊。主從機器人與其他設(shè)備以及PLC之間均采用I/O信號通信。

2.2 硬件選型

由圖2的控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看出，該控制系統(tǒng)主要有4個設(shè)備。其他設(shè)備需根據(jù)實際生產(chǎn)情況而定，這里以常見的傳送帶和機器人末端工具——吸盤為例。

主從機器人均選用ABB-IRB120作為研究對象，該工業(yè)機器人小巧靈活，支持DeviceNet通訊協(xié)議。

傳送帶主要靠電機拖動，這里用松崗傳送帶變頻三相調(diào)速電機來拖動傳送帶。為了讓調(diào)速更加方便，用三科變頻器來為電機調(diào)速。

PLC采用西門子S7-200SMART PLC，該PLC支持以太網(wǎng)通訊，能夠和觸摸屏直接通訊。由于本控制系統(tǒng)的I/O信號較多，這里選用PLC的CPU型號為ST40標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊。ST40標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊，晶體管輸出，24V DC供電，具有24DI/16DO。

觸摸屏選用昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏，型號TPC1061Ti(Xi)。該觸摸屏尺寸為10寸，分辨率1024×600，主頻頻率為600MHz，內(nèi)存和儲存均為128M，具有RS485和RS232串行接口以及以太網(wǎng)口各1個。

2.3 硬件連接與I/O分配

根據(jù)雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

MCGS觸摸屏和PLC之間通過以太網(wǎng)口連接，PLC中的數(shù)據(jù)可以直接被觸摸屏獲??；PLC有時同時控制主從機器人，有時分別控制主從機器人；主從機器人的輸出信號均進入PLC中，再由PLC或者觸摸屏進行分析處理，從而進一步控制雙機器人協(xié)調(diào)運動。傳送帶的三相調(diào)速電機由PLC來控制，通過PLC控制接觸器來控制電機供電，通過PLC控制中間繼電器來控制電機啟動和停止。

PLC的I/O信號較多，部分I/O信號分配如表1和表2所示。

表2 PLC部分輸出信號分配表

表1中的d020的“2”表示Robot2，“0”表示該信號接機器人2的輸出Mapping地址0，后續(xù)表示方法相同。

3 程序編輯

程序編輯主要有機器人的程序編輯、PLC的程序編輯、觸摸屏的程序編輯。

3.1 機器人程序編輯

機器人的程序編輯可用示教器進行編程，也可以用RobotStudio仿真軟件進行離線編程。這里以雙機器人協(xié)調(diào)搬運為例，用RobotStudio仿真軟件對主從機器人進行編程。分別從以下四個方面詳細(xì)設(shè)計：工作站模型建立、SMART組件運用、指令編輯、工作站邏輯編輯[7～11]。

1）建立雙機器人協(xié)調(diào)搬運工作站

雙機器人協(xié)調(diào)搬運工作站主要包括主從機器人及控制柜、傳送帶、工件、吸盤、載物臺等。其中機器人以及控制柜在庫文件中直接導(dǎo)入，其余部件均用SolidWorks三維建模軟件建模后導(dǎo)入。建立協(xié)調(diào)搬運工作站如圖4所示。

圖4 雙機器人協(xié)調(diào)搬運工作站

雙機器人協(xié)調(diào)搬運的整個過程為：工件由傳送帶傳送到指定位置，觸發(fā)傳送帶上的位置傳感器；雙機器人接到工件到位信號后，各自運動至相應(yīng)拾取目標(biāo)點的位置；機器人給吸盤命令，吸盤吸附物體；開始協(xié)調(diào)搬運至載物臺上的箱子中。

2）創(chuàng)建SMART組件

為了讓整個仿真能夠更加逼近實際生產(chǎn)，需要為傳送帶和吸盤創(chuàng)建SMART組件[12]。

傳送帶模仿工件被源源不斷傳送過來，需要用到Source，LinerMover等組件。具體設(shè)計如圖5所示。

圖5 傳送帶SMART組件的設(shè)計

設(shè)置啟動信號di01來啟動傳送帶，開始工件的復(fù)制與傳送；當(dāng)傳感器檢測到工件到達(dá)指定位置后，停止傳送并輸出信號d0ready。

吸盤模仿機器人呢吸取和放置工件的動作，主要用到Attacher和Detacher兩個SMART組件。具體設(shè)計如圖6所示。

圖6 吸盤SMART組件的設(shè)計

設(shè)置兩個輸入信號diattach和didetach，diattach連接Attacher組件，將工件吸附在吸盤上；didetach連接Detacher組件，將工件放下。

3）編輯指令

指令編輯時，首先要考慮機器人系統(tǒng)的I/O配置。以主機器人為例，根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，配置機器人系統(tǒng)部分I/O信號如表3所示，具體如何操作請參考文獻[13]。

表3 主機器人部分I/O信號分配表

主從機器人共同完成一個作業(yè)，在機器人指令編輯時需要考慮到主從機器人的協(xié)同。主從機器人運行軌跡具有很強約束性；運行時間具有很強的同步性；程序指令具有很強的相似性。為了機器人程序條理清晰，在編輯程序時都會使用嵌套模式。以主機器人指令編輯為例，主程序如下所示：

4）編輯工作站邏輯

工作站的邏輯對整個雙機器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)十分重要，工作站的I/O信號都需要接入控制總站PLC中。工作站的邏輯編輯就是將外面輸入的控制命令給工作站中的相應(yīng)設(shè)備，將工作站中設(shè)備的反饋信號送出去。根據(jù)控制原理圖，工作站邏輯設(shè)計部分連接如表4所示。

表4 工作站部分信號連接

3.2 PLC程序編輯

PLC用的是S7-200 SMART，故用編程軟件STEP7-MicroWIN-SMART-V2.4進行程序編輯。PLC作為控制總站，不僅要對雙機器人的協(xié)調(diào)運動作出控制，還需要對現(xiàn)場的其余設(shè)備進行控制。給出部分梯形圖程序如圖7所示。

圖7 雙機器人協(xié)調(diào)子程序

3.3 觸摸屏程序編輯

MCGS觸摸屏能夠支持多種設(shè)備的通訊，包括各種型號的PLC、儀表類、變頻器以及其他通訊模塊。用MCGS觸摸屏作為控制面板能夠采集多種設(shè)備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多種設(shè)備之間的通訊；優(yōu)化傳統(tǒng)控制面板；必要時也能編程，簡化PLC控制程序[13]。這里通過使用MCGS觸摸屏，可以控制并且監(jiān)視整個雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

MCGS觸摸屏需用專門的MCGS組態(tài)環(huán)境軟件進行編輯。MCGS組態(tài)環(huán)境軟件編輯觸摸屏程序一般有以下幾步：

1）選擇TCP的類型和背景；

2）打開設(shè)備窗口，添加需要連接的設(shè)備，比如PLC、變頻器等；

3）在用戶窗口中新建窗口并命名，該窗口用于用戶操作；

4）在建好的用戶窗口中編輯控制組件，用來操作或者監(jiān)控目標(biāo)設(shè)備；

5）在設(shè)備窗口添加的設(shè)備中建立設(shè)備通道，與觸摸屏中的數(shù)據(jù)庫建立對接；

6）在用戶窗口里的各個組件中連接數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)變量；

7）如果控制需要，可在運行策略增加相應(yīng)策略來實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯順序，簡化PLC程序；

8）具體如何編輯觸摸屏程序以及如何載入觸摸屏程序請參考文獻[14]，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計用戶操作窗口如圖8所示。

圖8 雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)用戶操作窗口

4 仿真與實驗

4.1 仿真驗證

RobotStudio仿真軟件能夠模仿整個雙機器人協(xié)調(diào)工作環(huán)境、協(xié)調(diào)工作狀態(tài)以及工作中出現(xiàn)的各種問題。通過仿真軟件的仿真功能，實現(xiàn)雙機器人協(xié)調(diào)搬運過程如圖9所示。

圖9 雙機器人協(xié)調(diào)搬運仿真

通過仿真軟件的仿真功能，利用工作站信號，操作雙機器人協(xié)調(diào)搬運。搬運開始后，主從機器人到達(dá)各自的拾取目標(biāo)點等待工件傳送到指定位置；工件到位后，工作站同時給主從機器人開始吸取信號；吸取完成后，將信號反饋到工作站，主從機器人接到反饋信號再同時運動；到達(dá)放置目標(biāo)點后，同樣將信號反饋到工作站，主從機器人接到反饋信號再同時放置；放置完成后再到拾取目標(biāo)點進行下一循環(huán)。

仿真結(jié)果表明：在搬運過程中，雙機器人的末端吸盤約束關(guān)系保持不變；運行速度同步；運行軌跡安全?？梢?，雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠完成雙機器人協(xié)調(diào)搬運工作。

4.2 實驗驗證

對雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行實驗，通過實驗?zāi)軌蚩闯稣麄€雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的連貫性及合理性。

本實驗和雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計一樣，利用實驗室的兩臺ABB-IRB120工業(yè)機器人、SMART PLC、MCGS觸摸屏、三相交流電機以及氣動抓手進行實驗。用三相交流電機來代替?zhèn)魉蛶?，用氣動抓手來代替吸盤。根據(jù)控制原理圖，實驗硬件連接如圖10所示。

圖10 實驗硬件接線圖

將主從機器人的程序分別載入各自的控制柜；PLC程序下載到PLC中；MCGS觸摸屏程序也導(dǎo)入觸摸屏中。通過安全測試和通訊測試以后，通過觸摸屏操作雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，運行過程如圖11所示。

圖11 雙機器人協(xié)調(diào)運行過程

實驗過程中，觸摸屏作為控制面板，能夠操作和監(jiān)控整個系統(tǒng)的設(shè)備；交流電機能夠正常啟停；雙機器人動作協(xié)調(diào)且運行平穩(wěn)。實驗結(jié)果表明：雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在不同的運行速度下都能夠保持末端執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，控制系統(tǒng)安全、可靠。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的一種雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過觸摸屏和PLC控制雙機器人完成協(xié)調(diào)搬運任務(wù)。詳細(xì)設(shè)計了雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并對機器人、PLC、觸摸屏進行了程序編輯；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通俗易懂，控制程序條理清晰、可讀性強。通過仿真和實驗表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙機器人協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。該雙機器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可用于現(xiàn)場生產(chǎn)，降低工人的勞動強度，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。