武永強(qiáng)，于 濤

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 錦州 121000）

0 引言

工業(yè)機(jī)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(jí)以及生產(chǎn)要求的提高，單個(gè)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)不能完全滿足某些生產(chǎn)任務(wù)的需求，雙機(jī)器人協(xié)調(diào)技術(shù)開始登上歷史舞臺(tái)[1]。

目前，工業(yè)生產(chǎn)線通常由多個(gè)工業(yè)機(jī)器人與其他設(shè)備配合搭建而成，來完成整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)任務(wù)[2]。王元生等[3]設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝卸控制系統(tǒng)，但是這種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是單個(gè)工業(yè)機(jī)器人的。曲道奎等[4]采用分層遞階結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)3級(jí)結(jié)構(gòu)雙機(jī)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(jì)一種操作簡單、安全可靠的雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。本文將在分析雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種簡單而又實(shí)用的雙機(jī)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(jī)器人協(xié)調(diào)分類

雙機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可以分為兩類：雙機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和雙機(jī)器人相對(duì)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)[5]。

1）雙機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)：雙機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)期間相對(duì)位姿關(guān)系保持不變，雙機(jī)器人之間具有很強(qiáng)的同步性。雙機(jī)器人相對(duì)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)：雙機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)期間保持位姿約束和相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束，雙機(jī)器人之間有很強(qiáng)的協(xié)調(diào)性。

1.2 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)坐標(biāo)系建立

分析雙機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的機(jī)器人基座標(biāo)、末端坐標(biāo)、工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)中有主機(jī)器人和從機(jī)器人，令主機(jī)器人為1號(hào)機(jī)器人，從機(jī)器人為2號(hào)機(jī)器人。機(jī)器人代號(hào)用i表示，i=1，2；{Ri}表示機(jī)器人的基坐標(biāo)系；{Ei}表示機(jī)器人的末端坐標(biāo)系；{Ti}表示機(jī)器人的工具坐標(biāo)系；{Wi}表示機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。

1.3 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(jī)器人（即1號(hào)機(jī)器人和2號(hào)機(jī)器人）的末端坐標(biāo)相對(duì)于基座標(biāo)的變換矩陣。利用變換矩陣再根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解即可求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，便于機(jī)器人系統(tǒng)控制各個(gè)關(guān)節(jié)角度。變換關(guān)系如下：

將式(1)和式(2)進(jìn)行變形，可得：

式(3)和式(4)中，EiTTi（式中i是相同的）是機(jī)器人工具坐標(biāo)相對(duì)于末端坐標(biāo)的變換矩陣，該矩陣由機(jī)器人的末端工具決定；TiTW是工件坐標(biāo)系相對(duì)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(gè)時(shí)變矩陣；RiTW是工件坐標(biāo)相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)的變換矩陣，主從機(jī)器人具有相同的工件坐標(biāo)，此處使用工件坐標(biāo)相對(duì)于主機(jī)器人的變換矩陣R1TW；R1TR2是雙機(jī)器人在基座標(biāo)標(biāo)定時(shí)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(jī)器人的逆解即可得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移，通過控制關(guān)節(jié)角位移使機(jī)器人到達(dá)該位置。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制方案

以雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)為例，設(shè)計(jì)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。雙機(jī)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(jī)器人協(xié)調(diào)更加可靠、容錯(cuò)率更高，該雙機(jī)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(jī)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(jī)器人、從機(jī)器人以及其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并接收控制系統(tǒng)的各種反饋信號(hào)。觸摸屏作為控制面板，可直接與PLC實(shí)時(shí)通訊并獲取PLC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。主從機(jī)器人以及其他設(shè)備同時(shí)受PLC的控制，也可以實(shí)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(jī)器人均采用機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC651，使用DeviceNet總線通訊。主從機(jī)器人與其他設(shè)備以及PLC之間均采用I/O信號(hào)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(gè)設(shè)備。其他設(shè)備需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況而定，這里以常見的傳送帶和機(jī)器人末端工具——吸盤為例。

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

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

PLC采用西門子S7-200SMART PLC，該P(yáng)LC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(hào)較多，這里選用PLC的CPU型號(hào)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(hào)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(chǔ)存均為128M，具有RS485和RS232串行接口以及以太網(wǎng)口各1個(gè)。

2.3 硬件連接與I/O分配

根據(jù)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計(jì)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?。籔LC有時(shí)同時(shí)控制主從機(jī)器人，有時(shí)分別控制主從機(jī)器人；主從機(jī)器人的輸出信號(hào)均進(jìn)入PLC中，再由PLC或者觸摸屏進(jìn)行分析處理，從而進(jìn)一步控制雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。傳送帶的三相調(diào)速電機(jī)由PLC來控制，通過PLC控制接觸器來控制電機(jī)供電，通過PLC控制中間繼電器來控制電機(jī)啟動(dòng)和停止。

PLC的I/O信號(hào)較多，部分I/O信號(hào)分配如表1和表2所示。

表2 PLC部分輸出信號(hào)分配表

表1中的d020的“2”表示Robot2，“0”表示該信號(hào)接機(jī)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(jī)器人的程序編輯、PLC的程序編輯、觸摸屏的程序編輯。

3.1 機(jī)器人程序編輯

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

1）建立雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)工作站

雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)工作站主要包括主從機(jī)器人及控制柜、傳送帶、工件、吸盤、載物臺(tái)等。其中機(jī)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(yùn)工作站如圖4所示。

圖4 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)工作站

雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)的整個(gè)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(jī)器人接到工件到位信號(hào)后，各自運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)拾取目標(biāo)點(diǎn)的位置；機(jī)器人給吸盤命令，吸盤吸附物體；開始協(xié)調(diào)搬運(yùn)至載物臺(tái)上的箱子中。

2）創(chuàng)建SMART組件

為了讓整個(gè)仿真能夠更加逼近實(shí)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(jì)如圖5所示。

圖5 傳送帶SMART組件的設(shè)計(jì)

設(shè)置啟動(dòng)信號(hào)di01來啟動(dòng)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(hào)d0ready。

吸盤模仿機(jī)器人呢吸取和放置工件的動(dòng)作，主要用到Attacher和Detacher兩個(gè)SMART組件。具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 吸盤SMART組件的設(shè)計(jì)

設(shè)置兩個(gè)輸入信號(hào)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(shí)，首先要考慮機(jī)器人系統(tǒng)的I/O配置。以主機(jī)器人為例，根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，配置機(jī)器人系統(tǒng)部分I/O信號(hào)如表3所示，具體如何操作請(qǐng)參考文獻(xiàn)[13]。

表3 主機(jī)器人部分I/O信號(hào)分配表

主從機(jī)器人共同完成一個(gè)作業(yè)，在機(jī)器人指令編輯時(shí)需要考慮到主從機(jī)器人的協(xié)同。主從機(jī)器人運(yùn)行軌跡具有很強(qiáng)約束性；運(yùn)行時(shí)間具有很強(qiáng)的同步性；程序指令具有很強(qiáng)的相似性。為了機(jī)器人程序條理清晰，在編輯程序時(shí)都會(huì)使用嵌套模式。以主機(jī)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(duì)整個(gè)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)十分重要，工作站的I/O信號(hào)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(hào)送出去。根據(jù)控制原理圖，工作站邏輯設(shè)計(jì)部分連接如表4所示。

表4 工作站部分信號(hào)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(jìn)行程序編輯。PLC作為控制總站，不僅要對(duì)雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)作出控制，還需要對(duì)現(xiàn)場的其余設(shè)備進(jìn)行控制。給出部分梯形圖程序如圖7所示。

圖7 雙機(jī)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(hào)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(shí)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(shí)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(gè)雙機(jī)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(jìn)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(duì)接；

6）在用戶窗口里的各個(gè)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(yùn)行策略增加相應(yīng)策略來實(shí)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(qǐng)參考文獻(xiàn)[14]，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)用戶操作窗口如圖8所示。

圖8 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)用戶操作窗口

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真驗(yàn)證

RobotStudio仿真軟件能夠模仿整個(gè)雙機(jī)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(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)過程如圖9所示。

圖9 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)仿真

通過仿真軟件的仿真功能，利用工作站信號(hào)，操作雙機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)。搬運(yùn)開始后，主從機(jī)器人到達(dá)各自的拾取目標(biāo)點(diǎn)等待工件傳送到指定位置；工件到位后，工作站同時(shí)給主從機(jī)器人開始吸取信號(hào)；吸取完成后，將信號(hào)反饋到工作站，主從機(jī)器人接到反饋信號(hào)再同時(shí)運(yùn)動(dòng)；到達(dá)放置目標(biāo)點(diǎn)后，同樣將信號(hào)反饋到工作站，主從機(jī)器人接到反饋信號(hào)再同時(shí)放置；放置完成后再到拾取目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行下一循環(huán)。

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

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩闯稣麄€(gè)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的連貫性及合理性。

本實(shí)驗(yàn)和雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，利用實(shí)驗(yàn)室的兩臺(tái)ABB-IRB120工業(yè)機(jī)器人、SMART PLC、MCGS觸摸屏、三相交流電機(jī)以及氣動(dòng)抓手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用三相交流電機(jī)來代替?zhèn)魉蛶?，用氣?dòng)抓手來代替吸盤。根據(jù)控制原理圖，實(shí)驗(yàn)硬件連接如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)硬件接線圖

將主從機(jī)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(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，運(yùn)行過程如圖11所示。

圖11 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)行過程

實(shí)驗(yàn)過程中，觸摸屏作為控制面板，能夠操作和監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備；交流電機(jī)能夠正常啟停；雙機(jī)器人動(dòng)作協(xié)調(diào)且運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在不同的運(yùn)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(jì)的一種雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過觸摸屏和PLC控制雙機(jī)器人完成協(xié)調(diào)搬運(yùn)任務(wù)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了雙機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)器人、PLC、觸摸屏進(jìn)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(qiáng)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙機(jī)器人協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。該雙機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。