郝雷，高月華，李亞朋，萬真真

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定　071002)

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虛擬仿真技術(shù)在裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

郝雷，高月華，李亞朋，萬真真

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002)

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與電氣控制技術(shù)，針對(duì)裝配生產(chǎn)線的特點(diǎn)和控制要求，開發(fā)了一套虛擬仿真系統(tǒng)，可用于系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)試和人員培訓(xùn).利用羅克韋爾軟件編寫電氣控制程序，通過RSTestStand軟件搭建機(jī)械手自動(dòng)裝配系統(tǒng)的3D虛擬仿真模型，并基于虛擬可編程控制器(PLC),實(shí)現(xiàn)了直線型、余弦-直線型速度曲線調(diào)速方案在虛擬仿真對(duì)象上的應(yīng)用.虛擬仿真對(duì)象的動(dòng)作視覺效果和監(jiān)控曲線表明，控制系統(tǒng)工作良好，通過在機(jī)械手各動(dòng)作的啟停、加減速、勻速轉(zhuǎn)換時(shí)引入余弦調(diào)速方案對(duì)速度控制進(jìn)行優(yōu)化，有效減小機(jī)械臂關(guān)節(jié)的震動(dòng)和頓挫，取得了較好的動(dòng)作流暢性.

虛擬仿真；裝配機(jī)械手；調(diào)速

裝配機(jī)械手廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，是機(jī)電一體化集成度較高的執(zhí)行器，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制、人工智能等多種學(xué)科[1].機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)可完成人員培訓(xùn)、監(jiān)控等任務(wù)，在提高效率、節(jié)省成本方面意義較大.虛擬仿真是指用一個(gè)虛擬系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)[2]，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[3].虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了數(shù)字城市、場(chǎng)館仿真、工業(yè)仿真、汽車仿真、水利電力等方面[4].把控制系統(tǒng)中的數(shù)字信息變?yōu)橹庇^的、以圖形圖像形式表示的、隨時(shí)間和空間變化的虛擬仿真過程，能夠讓使用者更好地了解系統(tǒng)中各元器件之間的關(guān)系，可更好地決策，直接獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性[5].當(dāng)今虛擬場(chǎng)景下機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)、控制仿真成為熱點(diǎn)研究問題,國內(nèi)的研究集中在虛擬仿真機(jī)械手的設(shè)計(jì)、建模、動(dòng)力學(xué)分析[6]，但鮮見其應(yīng)用于工業(yè)輔助設(shè)計(jì)和職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中[7].而國外在機(jī)械手虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域做出了突出成績，加拿大國家研究院利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的觸覺反饋的機(jī)械臂已成功在醫(yī)院培訓(xùn)神經(jīng)外科醫(yī)師中應(yīng)用[8],同時(shí)美國愛荷華州立大學(xué)也在研究虛擬仿真機(jī)械手上使用基于阻抗的觸覺力產(chǎn)生方法[9]，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域意大利那不勒斯大學(xué)利用虛擬仿真研制了輪椅機(jī)器人，用來采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和殘障人士的一些感受、意見，具有安全、成本低、再現(xiàn)性好、對(duì)干擾的魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)[10].

本系統(tǒng)可用于培訓(xùn)自動(dòng)化技術(shù)人員，也可幫助設(shè)計(jì)人員用于機(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)，采用羅克韋爾RSLogix 5000軟件編寫生產(chǎn)線及裝配機(jī)械手控制程序，并下載到由RSLogix Emulate軟件虛擬的PLC中；使用RSTestStand軟件搭建三自由度機(jī)械手自動(dòng)裝配系統(tǒng)的3D仿真模型；通過RSLinx Classic軟件，建立RSLogix Emulate和RSTestStand之間的數(shù)據(jù)通信，完成了基于PLC和3D對(duì)象模型的機(jī)械手虛擬仿真控制系統(tǒng)，結(jié)合三角函數(shù)曲線和梯形曲線，實(shí)現(xiàn)了余弦-直線型速度曲線在傳送帶及機(jī)械手臂升降、水平旋轉(zhuǎn)、伸縮運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用,有效減小機(jī)械手的振動(dòng)幅度.

圖1　虛擬仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1　Schematic diagram of virtual simulation system

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為保證系統(tǒng)兼容性，采用羅克韋爾控制器、配套模塊及軟件，如圖1所示，使用RSLogix 5000分別編寫機(jī)械手模型的底層控制程序和動(dòng)作仿真程序及調(diào)速程序，通過RSTestStand軟件制作出機(jī)械手裝配生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備的3D仿真模型，通過RSLinx Classic的OPC接口連接到PLC的變量標(biāo)簽上，建立由RSLogix Emulate虛擬的PLC與仿真模型的通信.系統(tǒng)在3D場(chǎng)景下可以完成裝配生產(chǎn)線中配件的運(yùn)送、檢測(cè)、入庫存儲(chǔ)，其中裝配機(jī)械手可做升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)和抓取動(dòng)作.

2　搭建模型及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1建模過程

RSTestStand軟件中機(jī)械手自動(dòng)裝配生產(chǎn)線3D仿真模型搭建步驟如圖2所示.第1步創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目后，選擇菜單欄上的Scence，添加一幅新的3D場(chǎng)景視圖；第2步在其中雙擊添加的圖形，設(shè)置圖形的大小、位置、顏色等屬性；第3步雙擊要定義變量的設(shè)備資源，添加新的標(biāo)簽，并對(duì)標(biāo)簽的名字、類別、初始值等進(jìn)行設(shè)置；第4步選擇Logic View，打開流程圖編輯器，寫入需要實(shí)現(xiàn)的程序語句；第5步右擊需要連接變量的圖形，在Object里面點(diǎn)擊Variable Controls，實(shí)現(xiàn)變量控制圖形屬性，把相應(yīng)的變量拖拽到要控制的圖形屬性上面；第6步點(diǎn)擊工具欄的仿真按鈕，觀察運(yùn)行效果.

2.2機(jī)械手控制程序流程

程序開始運(yùn)行，當(dāng)配件到達(dá)指定位置時(shí)，位置檢測(cè)傳感器的常開觸點(diǎn)被觸發(fā)，機(jī)械手臂開始動(dòng)作，手臂下降、抓取配件、手臂和配件上升、手臂和配件旋轉(zhuǎn)、伸臂、手臂下降、釋放配件，機(jī)械臂動(dòng)作完成，配件放在槽上，配件和槽向倉庫運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手裝配控制流程如圖3所示.同時(shí)機(jī)械手臂動(dòng)作復(fù)位準(zhǔn)備抓取下一個(gè)配件.機(jī)械手臂的底層控制程序還完成機(jī)械手動(dòng)作的互鎖，以保證上一個(gè)動(dòng)作確實(shí)完成后下一個(gè)動(dòng)作再進(jìn)行.

圖2　仿真模型搭建步驟Fig. 2　Steps of building the simulation model

圖3　機(jī)械手裝配程序流程Fig.3　Program flow chart of Manipulator assembly

2.3控制程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

仿真控制、底層控制、速度控制等電氣控制程序由RSLogix 5000編寫，由虛擬PLC執(zhí)行.使用RSTestStand建立虛擬被控對(duì)象系統(tǒng)，本文中為保證程序可讀性，虛擬對(duì)象使用與電氣控制系統(tǒng)中一致的系統(tǒng)變量標(biāo)簽.RSLinx提供的OPC接口，使得以上所述的控制程序與虛擬對(duì)象能夠相互通信.因此，由PLC控制并執(zhí)行配件和槽的出倉、位置傳感器檢測(cè)及顯示、輸送帶傳送、機(jī)械手裝配、成品入庫等工步，實(shí)現(xiàn)了與虛擬環(huán)境中虛擬生產(chǎn)線的同步.

仿真模型與實(shí)際設(shè)備存在差異，梯形圖編寫過程中，仿真程序被開發(fā)為獨(dú)立的模塊以期實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備中的各個(gè)傳感器功能，如機(jī)械手臂是否抓取到位、裝配時(shí)貨物是否到位等，進(jìn)而編寫機(jī)械臂的動(dòng)作，如上升、下降、旋轉(zhuǎn)等.模塊中主要運(yùn)用定時(shí)器及互鎖確定每個(gè)動(dòng)作的定位和準(zhǔn)確性及可操控性.

虛擬仿真裝配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，各單元?jiǎng)幼鲄f(xié)調(diào)到位，機(jī)械手先后抓取2種不同形狀的配件，無互相干擾而造成的動(dòng)作缺失或混亂現(xiàn)象.

3　調(diào)速優(yōu)化

生產(chǎn)線上的設(shè)備有不同運(yùn)動(dòng)速度要求，傳送帶運(yùn)行和機(jī)械手抓取產(chǎn)品時(shí)，急速啟停或抖動(dòng)，易出現(xiàn)產(chǎn)品碰撞或其他意外事故，造成不必要的損失.為平滑執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)速度，將余弦規(guī)律引入直線調(diào)速中，并在3D虛擬仿真對(duì)象中實(shí)現(xiàn)了直線型和余弦-直線型調(diào)速曲線對(duì)比實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)中機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度大、時(shí)間較長，采用如圖4所示的調(diào)速方案較為合理，而升降、伸縮運(yùn)動(dòng)距離小、時(shí)間短，則考慮選用如圖5所示的調(diào)速方案.以上2種調(diào)速方案可根據(jù)控制要求，選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)余弦曲線的最大速度，角速度和運(yùn)行過程中的最大速度，進(jìn)而可確定速度曲線各階段的特征點(diǎn)參數(shù)，如延遲時(shí)間tA、上升時(shí)間tB、峰值時(shí)間tC等.

為進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，首先實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化速度曲線方案，程序中通過改變加速時(shí)間和最大運(yùn)行速度，本文實(shí)現(xiàn)了5種余弦-直線型曲線，調(diào)試結(jié)果如圖6所示.機(jī)械手中速旋轉(zhuǎn)曲線和快速旋轉(zhuǎn)曲線相比較，最大速度一樣，但是加速減速時(shí)間不同；中速旋轉(zhuǎn)曲線和慢速旋轉(zhuǎn)曲線的加減速度時(shí)間相同，但中速的最大速度是慢速旋轉(zhuǎn)的2倍；機(jī)械手伸縮動(dòng)作和升降動(dòng)作均沒有勻速階段，加速和減速時(shí)間相同，伸縮動(dòng)作的最大速度是升降速度的2倍.

圖4　長型余弦直線型速度曲線Fig. 4　Long type cosine linear velocity

圖5　短型余弦直線型速度曲線Fig. 5　Short type cosine linear velocity curve

圖6　調(diào)速優(yōu)化曲線簇Fig. 6　Curves of speed optimization contorll

結(jié)合底層控制程序，先將直線型調(diào)速方案施加于3D虛擬仿真機(jī)械手上，通過RSTestStand監(jiān)控，結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過多次調(diào)試，旋轉(zhuǎn)、伸縮、升降的上升時(shí)間分為3 000 ms、2 000 ms、2 000 ms，最大速度分別為0.5、0.19、0.1 m/s，消除了勻加速與勻速轉(zhuǎn)折點(diǎn)的波動(dòng)，但通過視覺觀察其效果，機(jī)械手動(dòng)作較僵硬.

采用優(yōu)化的余弦-直線型曲線調(diào)速方案，并根據(jù)裝配機(jī)械手動(dòng)作特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作選取中速余弦直線型曲線，伸縮動(dòng)作、升降動(dòng)作分別選取快速和慢速余弦型曲線，上升時(shí)間與速度參數(shù)值與直線型調(diào)速方案一致，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖8所示，余弦-直線型調(diào)速方案下的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度曲線平滑、無波動(dòng)，機(jī)械手動(dòng)作3D視覺效果的表現(xiàn)更柔順逼真.

圖7　機(jī)械手直線型運(yùn)動(dòng)速度曲線Fig.7　Manipulator's speed curves of linear motion

圖8　機(jī)械手余弦直線型運(yùn)動(dòng)速度曲線Fig.8　Manipulator's speed curves of cosine motion

4　結(jié)論

構(gòu)建了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)和電氣控制的裝配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，通過引入余弦-直線型調(diào)速曲線以平滑裝配機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度，減小其抖動(dòng)對(duì)抓取物產(chǎn)生的不利影響.通過在速度曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處調(diào)用余弦規(guī)律程序施加于機(jī)械手各關(guān)節(jié)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的優(yōu)化，余弦與直線的銜接點(diǎn)無振動(dòng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬仿真機(jī)械手的實(shí)測(cè)速度曲線平滑，視覺效果流暢自然，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo).

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Application of virtual simulation technology for assembly manipulator

HAO Lei，GAO Yuehua，LI Yapeng，WAN Zhenzhen

(Electronic and Information Engineering College,Hebei University, Baoding 071002,China)

A virtual simulation system which is combines electrical control and virtual reality technology is proposed.The system’s monitoring,debugging and staff training for visual simulation process of industrial control applications are realized.The control program obtained by software of Rockwell is running on PLC.3D virtual simulation model of the automatic assembly system of manipulator is structured by the RSTestStand.To reduce mechanical arm joint motion and force effectively,acceleration and speed reduction of the manipulator movement and optimization of the speed using cosine timing scheme in uniform conversion were performed.The experimental verification of motion visual effect and real-time monitoring curve on the object of virtual simulation is achieved.

virtual simulation;assembly manipulator;speed regulation

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.04.018

2015-05-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11271106)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(B2014201008)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Z2015147)

郝雷(1978—)，男，黑龍江綏化人，河北大學(xué)講師，河北大學(xué)在讀博士，主要從事醫(yī)學(xué)圖像處理和自動(dòng)控制方向研究.E-mail:leihao@hbu.edu.cn

高月華(1977—)，女，河北正定人，河北大學(xué)講師，主要從事自動(dòng)控制和圖像處理方向研究.

E-mail:yuehuagao@hbu.edu.cn

TP301.6

A

1000-1565(2016)04-0444-05