码垛机器人控制系统探讨范文

摘要：主要以直角坐标码垛机器人为研究对象，以机器人运动轨迹规划作为主要研究目标，实现码垛机器人的控制系统软硬件研究与设计。首先对码垛机器人进行建模和运动分析，根据机器人的运动控制要求，对硬件系统进行设计；其次基于蚁群算法和遗传算法对机器人的运动轨迹规划研究，得到直角坐标机器人码垛工作的最优路径规划，选用西门子S7－0PLC为主控制器，完成了控制系统的硬件配置、程序设计及运行仿真；最后基于以太网调试分析，多次实验完成对所设计的控制系统的验证。

关键词：码垛机器人；轨迹规划；遗传算法；PLC；硬件配置

工业码垛机器人在生产中的应用越来越广泛，它替代了传统的人力劳动，在生产线的中下游将上游运输来的成品或者原料进行规律码放，在节省人力和物力的同时，由于机器人作业的精准程度更高，避免了因为工作失误生产出大量的残次品，大大减少了生产的成本，提高企业效益。但是随着企业生产柔性化定制的要求，产品存在多样性、位置不固定性，这就对码垛机器人的抓取过程、运动轨迹、码放过程提出了更高的要求，经过模块化设计的码垛机器人不仅能够完成简单的码垛工作，还能够进行柜中取物、精细焊接等精密操作。此前的技术已经不能够满足工业生产的需要，因此设计一种适应性强、能够满足多种工作环境的控制系统是近年来码垛机器人发展的重要核心。本文根据上述需求，在总结了现有的码垛机器人的不足之处后，基于PC的联机式视觉系统、嵌入式机器视觉系统的机器视觉技术和“基于遗传算法的路径规划”，设计出具有自动完成抓取物体的位姿和形状识别的视觉定位，自主规划出路径拟合精度高、运行效率高和稳定性高的工业码垛机器人。

1码垛机器人结构及运动分析

本文设计为小型直角坐标码垛示教机器人，采用直线滑台模组进行组装，分别为X轴、Y轴、Z轴，旨在其自动拍照识别物品后，经过视觉处理器输出一定的反馈信号，使机器人进行自主的路径轨迹规划，对物品进行准确的抓取、码放工作。其机构主要包括：机器人框架、相机、视觉处理器、PLC控制器、伺服电机、HMI人机交互仪。码垛机器人机械结构为直角坐标机器人，机器人的大小为：长10mm，宽0mm，高0mm。有效行程：X轴0mm，Y轴行程8mm，Z轴行程6mm。如图1所示。在进行码垛工作前，分别给直角坐标码垛机器人X、Y、Z三轴以mm／s、mm／s、0mm／s的速度进行运动，对建模的模型的运动状态进行分析，保证建立模型的准确性。其中Y轴固定在机器人的基座架上，综合分析运动过程中X轴、Z轴的运动。建立的直角坐标码垛机器人在进行仿真运动分析时，其中X轴运动时间和线性位移、速度、加速度及质量中心之间的关系如图2～图5所示。通过对直角坐标码垛机器人模型的运动分析，了解机器人运动时位移、速度、零部件之间的干涉等问题，通过数据之间的关系，为零件的强度、刚度等性能进行优化提供理论基础，使该模型更符合设计要求，对机器人运动轨迹规划提供

2硬件系统总体方案

码垛机器人的工作过程如下：当HMI人机交互仪器打开时，通过示教仪器完成点动、物品抓取的指令的发出，发出的运动指令通过驱动电机和脉冲信号接收设备的处理，控制图片采集设备进行图片采集工作，图片上传到视觉处理设备，然后经过视觉处理设备完成自动的产品识别，产生反馈到主控制设备，主控制设备在收到反馈后通过一定的算法对码放运动的轨迹自主进行最快、最平稳的路径规划，然后向码垛机器人的驱动电机和减速器下达指令，驱动电机和减速器进行工作，使码垛机器人准确的抓取目标物，根据已经规划的路径轨迹进行运动，将目标物准确的码放到指定的区域内。根据码垛机器人的工作要求，进行机器人各个硬件控制系统总体设计，设计原理框图如图6所示，包含主控器模块、电源模块、人机交互模块、视觉处理模块及运动模块等几部分。

3电源模块

电源供给系统在机器人运动机构中是不可或缺的动力设备。根据我国常用电器设备电压标准，使用V电压作为设备的额定电压，常用供电方式有三相四线制供电和单相制供电两种。本文研究的直角码垛机器人选用单相制DC24供电，选择使用施耐德ICN系列中的CA型号的空气开关作为控制电源电压供给的开关，其使用时安全系数高，在某处线路发生故障或者操作失误时能够自主断开电源开关，保证其他线路和设备的安全。使用EDR－75－24明纬75W24V作为电源供应器。

4驱动电机

直角坐标码垛机器人在驱动系统的要求方面需要传动系统之间的间隙小、刚度大不易变形、运动时输出轴的扭矩高以及减速比大，并且要能够使码放的物品能够平稳、快速、准确地码放到指定的区域，对运动过程的稳定性和运动的灵活性要求很高，所以综合考虑选用电机驱动的方式使码垛机器人进行运动。选取交流伺服电机作为码垛机器人的的驱动电机。考虑成本，选用西门子SIMATICV0伺服驱动为电机的驱动控制装置，可以整合脉冲量、模拟量、数字量，自动优化出高动态性能和平滑运行的系统。选用SIMOTICSS－1FL6作为驱动电机，该电机进行运动的时候支持3倍过载，在实际工作的时候，依据工作的情况选配增量式或绝对值编码器。SIMATICV0支持即插即用方式的的调试，可以和MIMATICPLC快速集成，可靠性比较高，和SIMOTICSS－1FL6电机配套使用构成最佳的伺服驱动系统。码垛机器人要能够在运动过程中的波动小，在指令进行转变时能够快速转变到下一个运动状态，对传动过程的的轨迹运动、物品码放的精度要求很高，码垛机器人选用行星齿轮减速器。

5图片采集设备

视觉处理器利用机器代替人眼对收集的数据信息进行分析，用以提高工业自动化生产的柔性和自动化程度，在一些人工不能长时间观测的区域进行生产或监控作业，提高了工业生产、维护的效率。采用海康MV－VB22－G视觉处理器，它的处理器为IntelE35处理器，性能稳定、信息处理快速，适合用于机器人的信息快速处理。

6路径规划研究

直角坐标机器人是三轴机器人，夹取装置采用空气吸盘装置，X、Y、Z三个轴控制X、Y、Z三个方向的运动，其中X、Y轴的运动完成对产品位置的定位，Z轴进行上下运动时完成对产品的吸附抓取工作。蚁群算法是基于自然界中蚂蚁相互间信息的传递，蚂蚁在寻找食物的过程中在行走路线上会不断地释放信息素进行路线的标记，其他蚂蚁接收到信息后会按照传播信息的路径继续运动。如图7、图8所示，基于蚁群算法的路径规划，可使码垛机器人在存在障碍物的环境下进行工作时，以较少时间和较少的信息更新下完成对路径的最优规划。遗传算法对路径规划的基本原理是对种群初始化、适应度函数、选择算子、交叉算子、变异算子的计算方法进行优化，并且对调整后的优秀算法再次进行融合优化。如图、所示，通过分析遗传算法x坐标的栅格图和路径长度变化轨迹图，采用遗传算法可以实现码垛作业的平稳、快速及高效性。通过对以上两种规划算法的分析比较，选用基于遗传算法的路径规划对码垛机器人工作的轨迹路径进行规划，运行时对工作区域的划分和运动轨迹的规划，更加适用于本课题设计的直角坐标码垛机器人。

7控制系统总体程序设计

码垛机器人控制系统从设备网络流程设计方面主要包括HMI、PLC和分别控制X、Y、Z轴进行运动的伺服电机组成，HMI下达工作指令，当指令信息传输到PLC控制器时，控制系统程序响应进行相应程序模块的运行，码垛机器人的X、Y、Z三轴开始进行工作。如图11所示：当HMI下达工作指令时，HMI映射程序模块运行，控制系统的主程序模块运行对工作指令进行分析，如果指令输入违反程序设定，报警程序模块启动，HMI界面报警灯闪烁，通过HMI界面进行下达故障复位指令对程序工作进行重新设定；如果主程序模块分析工作指令没有错误，运行图片采集设备程序模块，下达图片信息采集指令，摄像机进行拍照工作；运行方块位置坐标程序模块、分颜色坐标程序模块、废弃程序模块，对码垛环境进行区域划分；然后运行输入／输出映射程序模块，将对码垛区域的划分映射到主程序模块和零点设置程序模块；运行零点设置程序模块，对工作坐标零点进行设定；运行使能程序模块和速度参数程序模块，对码垛机器人进行供能和速度调节；依据输入的指令主程序选择运行手动控制程序模块／自动控制程序模块；X、Y、Z的数据处理程序模块运行，使码垛机器人进行工作；运行自动运行程序幅度控制程序模块，对自动控制运行下的参数变化幅度进行限制；运行数据变量监控模块、HMI变量监控模块监控机器人的运动状况。

8结束语

通过对码垛机器人的运动分析、轨迹规划研究及优化，本文设计了码垛机器人的控制硬件系统，完成程序编写，使机器人能够实现平稳、快速运行，实现自主识别产品并进行合理的路径规划，将产品抓取码放到一定的区域。

作者：李永梅 刘金刚 马镒明 单位：东南大学成贤学院