彭小平

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410124）

除污機(jī)器人用于除污和搬運(yùn)檢查到的淤泥、垃圾等堆積物，其機(jī)器本體為搬運(yùn)機(jī)器人，是一種可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，通過(guò)在機(jī)器人上安裝不同的末端執(zhí)行器，完成各種不同類型和狀態(tài)的物體，將物體一個(gè)位置移到另一個(gè)位置，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。

現(xiàn)有的搬運(yùn)機(jī)器人大多固定在臺(tái)面上，只能對(duì)一定范圍內(nèi)的物品進(jìn)行搬運(yùn)，雖然目前有些機(jī)器人可以通過(guò)履帶進(jìn)行移動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，影響對(duì)物品的正常搬運(yùn)，此外在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中難免會(huì)撞擊到障礙物，容易造成機(jī)器人部件受損?；谶@類問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人本體予以研究改良，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)履帶式運(yùn)輸搬運(yùn)機(jī)器作為除污機(jī)器人的本體，以達(dá)到解決問(wèn)題與提高工作效率的目的。

1 機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì)

1.1 底盤(pán)的總體設(shè)計(jì)

機(jī)器本體的底盤(pán)總體設(shè)計(jì)如圖1（a）所示，具體包括：1、基架2、驅(qū)動(dòng)帶輪3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、輪板5、支撐輪6、蓄電池7、防護(hù)板。防護(hù)板的一側(cè)設(shè)置有與基架滑動(dòng)連接的導(dǎo)柱，且導(dǎo)柱的外側(cè)套接與防護(hù)板、基架相連接的彈簧，當(dāng)基架撞擊到障礙物時(shí)，防護(hù)板的導(dǎo)柱沿基架滑動(dòng)并帶動(dòng)彈簧形變，可吸收沖擊力，提高對(duì)機(jī)器人的防護(hù)效果。支撐輪至少設(shè)置有三處，且支撐輪通過(guò)輪軸與輪板相連接，在搬運(yùn)物體時(shí)，可保證機(jī)器人在高負(fù)荷下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。蓄電池通過(guò)支架固定在基架1 上，且蓄電池通過(guò)電性方式與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、大臂電機(jī)、小臂電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、腕部電機(jī)及電動(dòng)夾爪相連接，蓄電池位于基架1 底部的中間，可降低機(jī)器人的重心，保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1

1.2 除污機(jī)器人的履帶式搬運(yùn)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除污機(jī)器人的履帶搬運(yùn)式本體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，除基架部分外，各個(gè)部分的具體名稱為：8 支撐板、9 旋轉(zhuǎn)電機(jī)、10 旋轉(zhuǎn)基座、11 大臂電機(jī)、12 大臂、13 小臂電機(jī)、14 小臂、15 回轉(zhuǎn)電機(jī)、16 回轉(zhuǎn)臂、17 腕部電機(jī)、18 腕架、19 電動(dòng)夾爪、20 履帶。在該結(jié)構(gòu)體的大臂兩端設(shè)置有弧面，且大臂的中間開(kāi)設(shè)有矩形通孔，可減輕機(jī)器人整體的重量。旋轉(zhuǎn)基座的上方焊接有兩處加強(qiáng)板，且加強(qiáng)板的外形呈直角梯形狀，大臂電機(jī)位于兩處加強(qiáng)板之間，使旋轉(zhuǎn)基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，提高承載能力。

在使用機(jī)器人時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)、大臂電機(jī)、小臂電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)及腕部電機(jī)可分別帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)基座、大臂、小臂、回轉(zhuǎn)臂及腕架轉(zhuǎn)動(dòng)，可使電動(dòng)夾爪在多個(gè)自由度上對(duì)物品靈活抓持，之后驅(qū)動(dòng)電機(jī)可通過(guò)同步帶及輪軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)帶輪及支撐輪上的履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的轉(zhuǎn)移，另外在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，基架底部的中間蓄電池在為機(jī)器人供電的同時(shí)，可降低機(jī)器人的重心，保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)基架意外撞擊到障礙物時(shí)，防護(hù)板的導(dǎo)柱沿基架滑動(dòng)并帶動(dòng)彈簧形變，可吸收沖擊力，提高對(duì)機(jī)器人的防護(hù)效果。

該工業(yè)履帶式運(yùn)輸搬運(yùn)機(jī)器本體結(jié)構(gòu)，通過(guò)防護(hù)板的一側(cè)設(shè)置有與基架滑動(dòng)連接的導(dǎo)柱，導(dǎo)柱的外側(cè)套接與防護(hù)板、基架相連接的彈簧的設(shè)置，當(dāng)基架撞擊到障礙物時(shí)，防護(hù)板發(fā)生伸縮可吸收沖擊力，提高對(duì)機(jī)器人的防護(hù)效果；通過(guò)支撐輪至少設(shè)置有三處，且支撐輪通過(guò)輪軸與輪板相連接的設(shè)置，在搬運(yùn)物品時(shí)，可保證機(jī)器人在高負(fù)荷下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)基座的上方焊接有兩處加強(qiáng)板，加強(qiáng)板的外形呈直角梯形狀，大臂電機(jī)位于兩處加強(qiáng)板之間的設(shè)置，使旋轉(zhuǎn)基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，提高基座的承載能力；通過(guò)對(duì)工業(yè)履帶式運(yùn)輸搬運(yùn)機(jī)器人的改進(jìn)，使該接器本體結(jié)構(gòu)具有合理性，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，操作靈活，提高搬運(yùn)效率，防撞性能良好的優(yōu)點(diǎn)，從而有效的解決了一些工業(yè)履帶式運(yùn)輸機(jī)器人所存在的問(wèn)題和不足。

2 旋轉(zhuǎn)基座電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器本體為達(dá)到機(jī)器人總體控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下水道通行和淤積物搬運(yùn)的功能，需要實(shí)現(xiàn)搖桿控制加遠(yuǎn)程距離控制。因此機(jī)器本體設(shè)計(jì)的蓄電池輸出端子有24 伏的直流輸出和220 伏的交流輸出。24 伏直流輸出作為除污機(jī)器人的主要控制單元西門(mén)子S7-1200PLC 的工作電源，220 伏輸出作為機(jī)械本體基座的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（伺服電機(jī)）的工作電源。基座設(shè)計(jì)為后輪兩驅(qū)型?？梢詾槌蹤C(jī)器人在下水道翻越障礙物和狹小管道中通過(guò)提供保障。既有足夠的動(dòng)力，又可以精確控制定位。本文所設(shè)計(jì)的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)由蓄電池輸出24 伏直流給西門(mén)子S7-1200PLC 供電。由PLC 連接S120 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)后可以控制伺服電動(dòng)機(jī)在不損失扭矩和力矩的前提下進(jìn)行精確的位置移動(dòng)，同時(shí)這樣設(shè)計(jì)可以幫助提高除污機(jī)器人在下水道中穿越障礙物的成功率，機(jī)器臂安裝在下水道除污機(jī)器人的基座上。機(jī)器臂各關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)同樣由S7-1200PLC 控制?；尿?qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。CPU 選擇1215DC/DC/DC 的型號(hào)，這樣可以由蓄電池提供24 伏的直流電源給PLC。電機(jī)型號(hào)選擇AC220V/0.5KW 光軸不帶鍵槽無(wú)抱閘的伺服電機(jī)，可以提供足夠大的扭矩。驅(qū)動(dòng)選擇西門(mén)子S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CU320-2PN 型控制單元。同時(shí)專門(mén)配置16KW 的伺服電源模塊，訂貨號(hào)為6SL3100-0BE21-6AB0。S120控制單元CF 卡選擇雙軸不帶性能擴(kuò)展固件V4.8，控制單元隔離片將CU320-2 控制單元的深度增加到270mm。在配置軸工藝時(shí)，模數(shù)使軸的位置置在一個(gè)區(qū)間內(nèi)循環(huán)更新。本負(fù)載為一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，位置值在0-360°之間循環(huán)，所以需選擇“啟動(dòng)模數(shù)”。位置限制：本位置軸不設(shè)置硬限位開(kāi)關(guān)，啟用軟限位開(kāi)關(guān)作為保護(hù)即可，設(shè)置軟限位開(kāi)關(guān)下限為0°，下限位為360°。動(dòng)態(tài)常規(guī)項(xiàng)：最大速度為2000r/min，加減速時(shí)間為1S。動(dòng)態(tài)急停：急停的加減速時(shí)間為0.5S。另外需要設(shè)置回原點(diǎn)功能。

圖2 旋轉(zhuǎn)基座電機(jī)控制系統(tǒng)

3 旋轉(zhuǎn)基座電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)基座的電機(jī)由S7-1200PLC 控制，通信協(xié)議采用Profinet 協(xié)議。PLC 與驅(qū)動(dòng)器之間以標(biāo)準(zhǔn)的PROFIdrive 報(bào)文進(jìn)行通信。旋轉(zhuǎn)基座電機(jī)在除污機(jī)器人工作時(shí)，需要控制其前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，能持續(xù)運(yùn)行和電動(dòng)運(yùn)行。并且在判斷出障礙物或者垃圾污物的位置后能夠根據(jù)定位準(zhǔn)確移動(dòng)距離和方向控制。因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)，需要設(shè)計(jì)電機(jī)的正向和反向控制以及電動(dòng)控制。為保證移動(dòng)的距離精確，每次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)都需要執(zhí)行回原點(diǎn)程序。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成回原點(diǎn)并輸出反饋完成信號(hào)后再進(jìn)行絕對(duì)位移指令的控制。執(zhí)行回原點(diǎn)指令時(shí)，在正向?qū)ふ以c(diǎn)的過(guò)程中，如果不能找到原點(diǎn)位置，則執(zhí)行反向?qū)ふ以c(diǎn)。具體在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先正向?qū)ぴc(diǎn)，其路徑為：電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點(diǎn)信號(hào)→轉(zhuǎn)盤(pán)減速至反向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點(diǎn)信號(hào)→轉(zhuǎn)盤(pán)正向加速至正向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點(diǎn)信號(hào)→轉(zhuǎn)盤(pán)減速至反向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點(diǎn)信號(hào)→轉(zhuǎn)盤(pán)停止尋原完成。按下啟動(dòng)按鈕，發(fā)送信號(hào)給PLC 執(zhí)行系統(tǒng)命令，此時(shí)指令運(yùn)行：旋轉(zhuǎn)軸上使能：使能=1；報(bào)警復(fù)位=2；下使能=0；正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)指令：尋原點(diǎn)=1；相對(duì)位移=2；正轉(zhuǎn)=30；反轉(zhuǎn)=40；當(dāng)PLC 反饋運(yùn)行狀態(tài)時(shí)：正轉(zhuǎn)軸狀態(tài)：使能=1；報(bào)警=2；指令執(zhí)行情況：正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：回零命令確認(rèn)=1，回零完成=11；相對(duì)位移命令確認(rèn)=2，相對(duì)位移完成=12（單次運(yùn)行60°）；部分程序如圖3 所示。其系統(tǒng)狀態(tài)存儲(chǔ)在DB45 和DB46 的數(shù)據(jù)塊中。

圖3 旋轉(zhuǎn)基座電機(jī)程序

4 結(jié)論

本文主要闡述了一種由西門(mén)子S7-1200PLC 控制的除污機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)使用這種工業(yè)履帶式的搬運(yùn)機(jī)器結(jié)構(gòu)作為除污機(jī)器人的本體，結(jié)合PLC 控制基座驅(qū)動(dòng)電機(jī)，PLC 采用直流輸入供電電源，本體部分設(shè)計(jì)了蓄電池結(jié)構(gòu)可以持續(xù)穩(wěn)定地為主體控制器提供電源，有效解決除污機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和作業(yè)低下問(wèn)題，可以為除污過(guò)程提高效率，而且該結(jié)構(gòu)主體的操作十分靈活，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)可靠，防撞性能良好。