基于PLC的機器人手臂位置控制算法研究(自動化)
基于PLC的機器人手臂位置控制算法研究(自動化)
萬豐，許俊鋒，吳佳
（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006）
摘要：自從20世紀初以來，機器人手臂出現在了人們的視野當中，伴隨著技術的逐漸成熟，機器人手臂已覆蓋了諸多工業領域。因此，研究機器人手臂控制系統是有一定意義的。對機器人手臂的結構進行了分析，闡述了其電氣原理，并完成了設備的接線，進行了控制系統的軟件設計。在實現機器人手臂基本功能的基礎之上，提出一種算法，實現了機器人手臂位置控制的任意性，且用時最短。
關鍵詞：機器人手臂；可編程序控制器；位置控制
中圖分類號：TP273 文章編號：1006 - 2394( 2016) 06 - 0034 - 04
0引言
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術，其應用水平是一個國家工業自動化水平的重要標志。許多發達國家均把機器人技術的開發和研究列入國家高新技術發展計劃。本文主要對機器人手臂控制系統進行研究，了解其工作原理并確定一種算法，使手臂能執行其最基本動作的前提下，實現在其可運行的空間里，從某一點抓取物料并將該物料放置在另外一點的時間最短。
1 機器人手臂的結構
機器人手臂是工業機器人的微縮模型，它使用了PLC、傳感器、位置控制、電機驅動等技術，具有零組件的自動輸送、取拿和移送功能，是一個三軸多位置的機械裝置。
圖1為機器人手臂實物圖，它由底座、限位開關、旋轉編碼器、垂直升降臂、水平伸縮臂、旋轉腰部和末端的機械手爪構成。除末端執行器外共有三個自由度。傳動裝置采用電氣傳動：升降臂作垂直升降運動，水平臂作水平伸縮運動，腰部作水平旋轉運動，機械手爪做松開或夾緊動作。
除此之外，在承載底座的鋁板之下還有電氣接線面板，包括電源、電氣驅動板、信號轉接板、保護電平轉換板、步進電機驅動器、空氣開關等。
機器人手臂各軸的動作范圍如下：
(1)升降臂：上下運動行程為70 mm；
(2)水平臂：水平運動行程為100 mm；
(3)腰部旋轉：水平旋轉1800。
機械手爪的張、合和腰部旋轉的運行由直流電機驅動；機器人手臂的垂直手臂和水平手臂由步進電機控制。本系統應用的是型號為DL-022M-I的步進電機驅動器驅動兩相式步進電機。
輸入信號板的功能是將設備上旋轉編碼器和限位開關的信號轉換為統一電平的驅動信號，方便設備與控制器之間信號的傳遞，該信號板使用的是高電平驅動方式；輸出信號板的功能是將控制器輸出的信號轉換為統一電平的驅動信號，也是為方便控制器與被驅動設備之間信號的傳遞，該信號板使用的也是高電平驅動方式。
2機器人手臂的硬件系統
2.1 機器人手臂系統控制平臺
機器人手臂控制系統采用的Control Logix系統模塊有處理器模塊、I/O模塊、電源模塊、Ether Net及De-vice Net通信模塊。
2.2控制系統的總體架構
2.2.1控制系統結構
機器人手臂位置控制系統采用單機控制模式，其控制系統的架構如圖2所示。
2.2.2輸入輸出配線
在本系統中，安裝在各軸上的限位開關用來檢測手臂和腰部的位置：當碰到某一限位開關時，限位開關閉合，此時高電平信號作為輸入信號傳遞給PLC，PLC根據輸入信號的變化，按照程序驅動相應電動機運轉。
在本系統中，控制對象的I/O點數如下：
限位開關8個：水平手臂、垂直手臂及腰部各2個，開關量輸入8個；
控制按鈕3個：啟動、停止及復位按鈕，開關量輸入3個；
脈沖輸入1個：腰部旋轉的脈沖信號，開關量輸入1個；
直流電機2個：為了實現直流電機正反轉，2個直流電機占用4個開關量輸出端口；
步進電機2個：每個步進電機需要一個端口來控制方向，一個端口來產生脈沖，所以2個步進電機占用了4個開關量輸出端口。
總計：開關量輸入12個，開關量輸出8個。
將機器人手臂的輸入輸出端口與控制平臺相應的輸入輸出模塊連接，其接線示意圖如圖3所示。
2.2.3輸入輸出地址分配
根據機器人手臂位置控制系統要實現的功能及設備接線示意圖，對輸入輸出點的地址分配如表1和表2所示。
3 機器人手臂位置控制系統的軟件設計
機器人手臂位置控制系統由軟件和硬件兩大部分組成。機器人手臂位置控制系統的軟件設計包括使用網絡組態軟件RSNetWorx進行相關網絡的組態，利用編程軟件RSLogix5000進行I/O模塊、通信模塊的建立，控制系統程序的開發，以及利用RSView SE監控軟件實現上位機界面動態監控。最后，對系統進行運行調試并達到預期的目標。
3.1 控制系統的功能
本系統機器人手臂的運行空間如圖4所示。
機器人手臂要實現的功能是：在其可運行的空間里（圖4所示的半空心圓柱），能夠到任意指定的地方抓取物料，并且將其放置在任意指定的地方，而且在整個運行過程結束后用時最短。
3.2控制系統的算法實現
3. 2.1 水平手臂和垂直手臂的位置控制
機器人手臂的水平和垂直手臂均是由步進電機控制。PLC產生兩路信號，一路為步進脈沖信號CP，步進電機驅動器每接收一個脈沖信號CP，就驅動步進電機旋轉一步距角，脈沖信號CP的頻率和步進電機的轉速成正比，脈沖信號CP的個數決定了步進電機旋轉的角度。另一路為方向電平信號DIR，當DIR為高電平時，步進電機順時針旋轉；當DIR為低電平時，步進電機逆時針旋轉。
多次測量得到的脈沖數據如表3所示，X軸每前伸或后縮1 mm需要給步進電機60個脈沖信號，Y軸每上升或下降1 mm需要81個脈沖信號，通過控制輸入給步進電機的脈沖信號個數控制機器人手臂運行的距離。至于伸臂或縮臂，升臂或降臂，則需要控制步進電機的方向信號。在該系統中，兩個步進電機的方向信號為高電平時，伸臂和降臂；相反，則縮臂和升臂。
3.2.2腰部旋轉的位置控制
在控制機器人手臂水平旋轉的直流減速電機的后端軸上固定有增量式光電編碼器，在腰部旋轉時會產生一系列的脈沖。通過計數該旋轉脈沖數可以控制腰部的旋轉角度，該控制為閉環控制。通過數次測試，腰部旋轉1800取平均值得到234個脈沖，旋轉1 0需要
1. 33個脈沖。
3.2.3綜合控制
在該系統的功能中提到，要實現系統在一個周期運行下來時間最短，因此就不能在某一個時間點只驅動某一部分，必須控制水平手臂、垂直手臂和腰部三者同時運行，等三者都到達指定的地方時，再讓手爪抓取或放下物料。
假設機械手爪當前的位置為A點，需將物料從B點移送到C點，若設手爪從A點到B點再到C點的每個過程的時間為T1、T2、T3，則其完成一次任務的時間為T=T1+T2+T3；若在B點和C點間循環往復地抓取和放置物料，則T=T1+n．（T2+T3）。在T的計算公式里，T1、T2、T3分別為每個階段水平手臂、垂直手臂和腰部運行的耗時最長者的時間。
3.3控制系統程序實現
機器人手臂位置控制系統的PLC梯形圖程序有系統自動控制程序設計和回原點程序設計，利用編程軟件RSLogix5000編寫梯形圖，主要使用順序控制的設計方法。
步驟如下：首先根據系統工藝過程，畫出程序流程圖，然后根據程序流程圖畫出梯形圖。
3. 3.1 程序流程圖
該控制系統功能的實現是基于機器人手臂當前所停留位置的已知。利用上文所提到的例子，設A點的坐標為A（X0，
，Y0），B(X1，
，Y1)，C（X2,
，Y2），則該系統的程序流程圖如圖5所示。
3.3.2控制系統程序設計思路
1)自動程序設計思路
自動程序的設計主要是要實現機器人手臂的單周期或多周期自動循環工作。要實現在其可運行空間里，在任意指定位置抓取和放置物料，需要考慮位置數據的輸入，水平手臂位置數據輸入的梯形圖如圖6所示。圖中X—Start、X_ Stop、X_ Current分別指水平手臂抓取物料、放置物料及當前位置的數據值，經過計算得到X_ Resultl和X_Result2，將正值直接賦給X_ Resultl_1和X_Result2_2，若是負值則需先取反再賦值，此數據即是手臂需要運行的距離。根據距離與脈沖數的關系可以得到控制電機運行的脈沖個數，并將結果作為相應的計數器的預置值。另外，X - Resultl和X - Re-sult2的正負還可以決定電機正轉或反轉，即水平手臂的伸縮狀態。圖6實現的是水平手臂先從186 mm的地方運行到200 mm的地方抓取物料，然后再運行到220 mm的地方放下物料。
垂直手臂、腰部旋轉的數據輸入方式與水平手臂一樣。由于水平手臂伸縮、垂直手臂升降和腰部旋轉的控制都是計數脈沖個數，所以可以利用計數器的通斷作為下一步是否變為活動步的條件。
2)回原點程序設計思路
回原點程序的設計目的是實現在機器人手臂停止工作時，能夠停留在初始位置；同時，初始位置可作為下次機器人手臂運行的當前位置，方便操作。在按下復位按鈕之后，系統會檢測機器人手臂的水平手臂是否處于縮回狀態（接觸到縮回限位開關），垂直手臂是否處于下降狀態（接觸到下降限位開關），腰部是否處于順向旋轉的極限位置（接觸到順向旋轉的限位開關）。若不是，則驅動相應的電機運行，使機器人手臂回到原點。
不過，系統執行回原點程序的前提是，機械手爪處于張開狀態，如果處于夾緊狀態，說明啟動或停止按鈕還處于按下狀態，即使按下復位按鈕也不會執行回原點程序。
4 運行結果及分析
通過調試，系統通電運行，機器人手臂能夠在系統控制作用下，順序地完成所安排的各種動作，如循環地抓取和放置物料，回到原點等。輸出信號對于輸入信號反應靈敏，能夠及時根據接收到的狀態信號驅動相應電機運行。
5總結
本文以工業機器人的教學模型機器人手臂為對象，分析了機器人手臂的結構，提出采用PLC控制，并對控制系統及程序算法進行了設計，最終實現了基于PLC的機器人手臂的位置控制。
