王汝貴，董奕辰，金聰，何思民，陳輝慶

(廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

變胞機構(gòu)是一類能變換拓撲結(jié)構(gòu)的機構(gòu)[1-2]，自提出至今，已經(jīng)在物流、工業(yè)生產(chǎn)、機器人等領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用成果[3-4]。構(gòu)態(tài)變換是變胞機構(gòu)的研究重點，目前變胞機構(gòu)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)學與運動學領(lǐng)域，在實際工業(yè)生產(chǎn)中的控制問題方面研究相對較少。變胞式工業(yè)機器人在工作效率與穩(wěn)定性方面，與傳統(tǒng)工業(yè)機器人不同的是，后者需要考慮控制的精度以及響應(yīng)速度等，而前者需要額外考慮如何使該機器人的變胞運動路徑更加流暢、變胞動作更加快速等。因此，為解決變胞式工業(yè)機器人在控制方面的相關(guān)問題，需要提出一種合適的變胞運動路徑以及可靠的變胞方式。

近年來，在工業(yè)環(huán)境中常用的運動控制系統(tǒng)主要有四種：單片機控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、專用運動控制器系統(tǒng)以及PC+運動控制卡控制系統(tǒng)[5]。單片機控制系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單，但控制精度受限，抗干擾能力弱[6-7]。PLC控制系統(tǒng)多配合HMI進行通訊，編程便利，但實時性較差[8-10]。專用運動控制器是根據(jù)工業(yè)設(shè)備的特定要求專門研發(fā)的控制器，其控制功能良好，針對性強，但柔性較差且開發(fā)成本高。由于變胞機構(gòu)存在構(gòu)態(tài)變換，其運動方式較傳統(tǒng)工業(yè)機器人更為復(fù)雜，需要在運動控制系統(tǒng)中添加實現(xiàn)變胞及其相關(guān)動作的方法，PC+運動控制卡的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力強，且響應(yīng)速度快[11]，對于解決變胞機構(gòu)的運動控制問題來說是一種較好的選擇。

本文基于課題組自研的新型可控變胞碼垛機器人，提出了一種新型的碼垛路徑運行方式，并詳細介紹了控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，使可控變胞碼垛機器人能夠安全可靠的執(zhí)行變胞動作及新型的碼垛路徑，為工業(yè)生產(chǎn)提供了解決方案。

1 可控變胞碼垛機器人及新型碼垛路徑

1.1 可控變胞碼垛機器人

為了實現(xiàn)變胞機構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)使用，課題組提出了一類新型碼垛機器人，即可控變胞碼垛機器人[12-14]，并已研制出物理樣機，如圖1(a)所示，機構(gòu)簡圖如圖1(b)所示?？煽刈儼a垛機器人機構(gòu)在其工作平面內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)單自由度和二自由度的切換。在單自由度構(gòu)態(tài)下，如圖2(a)及圖2(b)所示，機器人運行更加穩(wěn)定，結(jié)合底座3軸電機能夠完成物料的快速搬運。在二自由度構(gòu)態(tài)下，如圖2(c)及圖2(d)所示，機器人能夠運行多種軌跡，結(jié)合抓手4軸電機與抓手電磁鐵可以實現(xiàn)更加靈巧的抓取和卸載。

1.2 正運動學分析

為實現(xiàn)機器人運動學仿真，首先需要對其進行正運動學分析。由圖2(b)可以看出機器人在運動過程中其抓手位置相對F點不變，因此本文將F點作為機器人末端點代替抓手進行研究。本文將在變胞機構(gòu)的工作平面(后文簡稱變胞平面)內(nèi)的F點作為末端點分析其運動學。以O(shè)為原點，以垂直地面方向為y軸，建立坐標系O-xy,其中x軸與停機狀態(tài)下的變胞平面平行，且變胞平面可繞y軸轉(zhuǎn)動。如圖3(a)所示。在變胞平面內(nèi)，以A點為原點，EA直線為y1軸，建立平面直角坐標系A(chǔ)-x1y1,如圖3(b)所示，其中AB桿長為L1，DE桿長為L2，BC桿長及CN桿長均為L3，CD桿長為L4，CF桿長為L5，DN桿長為L6，A、E兩點距離為L7。B點相對A點的方位角為θ1,D點相對于E點的方位角為θ2,C點相對于B點的方位角為θ3,C點相對于D點的方位角為θ4。

(a) 樣機停機狀態(tài)

(a) 單自由度狀態(tài)

(a) 變胞平面轉(zhuǎn)角

根據(jù)閉環(huán)矢量法計算機器人運動學正解，即：在二自由度構(gòu)態(tài)下，θ1及θ2為主動角，則末端點F在變胞平面內(nèi)的坐標為

其中：

B0=2L3(L1cosθ1-L2cosθ2),C0=2L3(L1sinθ1+L7-L2sinθ2)。

在單自由度構(gòu)態(tài)下，θ1為主動角，θ2可由幾何關(guān)系得到，即：

θ2=2arctan(V),

(2)

其中：

將式(2)代入式(1)中可求得末端點在變胞平面內(nèi)的坐標。工作狀態(tài)下變胞平面內(nèi)x1軸與x軸的夾角θ為機器人3軸轉(zhuǎn)角，則機器人末端F點在空間中的坐標可以表示為(xF,yF,θ)。

1.3 新型碼垛路徑及仿真

為了發(fā)揮變胞機構(gòu)的在各個構(gòu)態(tài)下的優(yōu)勢，本文提出了一種新型的碼垛路徑運行方式(變胞碼垛路徑)，由于4軸電機對路徑影響較小，本文在規(guī)劃機器人運動路徑時將其忽略，則新型碼垛路徑示意圖，如圖4所示，其中P0為機器人末端的初始位，P1為預(yù)備抓取位，P2為抓取位，P3及P4為變胞位，P5為放置位。

變胞碼垛路徑的具體運動方式如下：首先機器人以二自由度狀態(tài)啟動，從初始位P0運行至預(yù)備抓取位P1準備抓取，在待抓取物體就位后，機器人運行至抓取位P2進行抓取，接著運行至變胞位P3，切換至單自由度運行狀態(tài)并將物體搬運至變胞位P4，隨后切換至二自由度運動狀態(tài)，運行至放置位P5。在放置物體后，機器人返回變胞位P4，切換至單自由度運行狀態(tài)并返回變胞位P3，再次切換為二自由度運動狀態(tài)，運行至預(yù)備抓取位P1準備下一次抓取。若達到設(shè)定的碼垛循環(huán)次數(shù)，則機器人將從預(yù)備抓取位P1返回初始位P0，結(jié)束當前設(shè)定的碼垛作業(yè)任務(wù)。

(a) 碼垛路徑主視圖

(b) 碼垛路徑俯視圖

給定機器人機構(gòu)的桿長實際尺寸：L1=0.600 m，L2=0.350 m，L3=0.200 m，L4=0.608 m，L5=0.600 m，L6=0.455 m，L7=0.196 m以及碼垛路徑中關(guān)鍵位置的坐標參數(shù)，運動參數(shù)見表1。假設(shè)各電機以PVT模式運行且抓取、放置以及進行變胞動作時速度為0，代入桿長參數(shù)及末端位置參數(shù)等得到運動學正解的仿真變胞碼垛路徑如圖5所示。

表1 運動參數(shù)表Tab.1 Motion parameters

圖5 碼垛路徑仿真圖Fig.5 Simulation diagram of palletizing path

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

由于變胞機構(gòu)的特點，設(shè)計其控制系統(tǒng)時，需要額外考慮變胞動作的影響?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計主要分為硬件和軟件設(shè)計[15-16]，其中硬件設(shè)計包括運動系統(tǒng)設(shè)計、變胞動作執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計等，軟件設(shè)計包括人機交互界面設(shè)計、碼垛作業(yè)流程設(shè)計等。為保證機器人的穩(wěn)定、快速的進行碼垛作業(yè)，控制系統(tǒng)在設(shè)計時有如下要求：

① 控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠的運行；

② 控制系統(tǒng)架構(gòu)在滿足控制要求的條件下盡可能簡單、經(jīng)濟；

③ 控制系統(tǒng)具有良好的可拓展性，可以適應(yīng)后續(xù)控制要求的提高；

④ 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對變胞動作以及變胞碼垛路徑的調(diào)試。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

為滿足可控變胞碼垛機器人的控制要求，可控變胞碼垛機器人控制系統(tǒng)硬件采用運動控制卡+工控機架構(gòu)，其硬件架構(gòu)圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)硬件主要由工控機、運動控制器、驅(qū)動器等組成。其中運動控制器主卡采用固高GTS—400—PG—VB運動控制卡, 該控制卡可以快速準確的實現(xiàn)對4臺電機的運動控制，并且支持多種運動模式(包括JOG模式、點位運動模式等)，支持數(shù)字量輸入輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁離合器、氣動插銷等硬件的狀態(tài)檢測與控制。同時該系列運動控制器提供，包括C語言、C++語言等函數(shù)庫和Windows 動態(tài)鏈接庫，能夠滿足可控變胞碼垛機器人進行復(fù)雜動作的控制要求。運動控制器通過通訊線與電機驅(qū)動器相連，進而控制機器人本體的閉環(huán)步進電機，并通過數(shù)字I/O接口連接3個繼電器分別控制電磁離合器、抓手電磁鐵以及氣動插銷的電磁閥。工控機通過PCI總線與運動控制器相連以操作運動控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)，并通過HDMI線與顯示屏相連以顯示人機交互界面。

圖6 可控變胞碼垛機器人控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.6 Hardware architecture of control system for controllable metamorphic palletizing robot

2.1.2 變胞動作的實現(xiàn)方法

由圖4中可以看出，實現(xiàn)新型碼垛路徑的關(guān)鍵在于穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)變胞動作，因此機器人采用了光電開關(guān)、氣動插銷及電磁離合器相組合的方案以實現(xiàn)自由度切換。其具體的變胞方法如下：當機構(gòu)需要從單自由度變換到二自由度時(圖7)，由于桿件重力影響等，在單自由度運動后，兩片離合器之間會產(chǎn)生一定偏差，2軸需運行一定的補償脈沖以對齊離合器，該補償脈沖值記為C1。在對齊離合器并閉合后，如圖7(a)所示，需要使2軸再次運行一定的補償脈沖使機器人運行至光電開關(guān)到位，該補償脈沖值記為C2。最后拔出插銷，如圖7(b)所示，完成自由度變換。當機構(gòu)需要從二自由度變換到單自由度時(圖8)，首先需要使機器人運行至光電開關(guān)到位并插入插銷，如圖8(a) 所示，接著打開離合器，如圖8(b)所示，為了配合后續(xù)的自由度變換，此時2軸需要運行一定的補償脈沖，該補償脈沖值記為C3，運行補償脈沖后，自由度變換結(jié)束。這種切換自由度的方式相對簡便，控制起來相對容易，同時便于軟件開發(fā)。

(a) 閉合離合器

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

可控變胞碼垛機器人控制系統(tǒng)軟件不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)機器人控制軟件的對軸組位置、速度等的準確控制及相應(yīng)的故障診斷和報警功能[17-18]，還需要提供對變胞動作的單獨調(diào)試功能以及實現(xiàn)對變胞碼垛路徑的控制。

為適應(yīng)控制系統(tǒng)的硬件，控制系統(tǒng)軟件[19]基于Visual Studio 2019開發(fā)環(huán)境，使用MFC創(chuàng)建用戶操作界面，通過調(diào)用運動控制器提供的API實現(xiàn)對軸組以及其他硬件部分的控制。為滿足控制軟件的設(shè)計要求，采用模塊化思想劃分功能模塊，包括硬件管理模塊(運動控制卡的開閉及軸組的使能與禁能等)、運動測試模塊(軸組運動、補償值計算等)及管理員操作模塊(數(shù)字I/O控制離合器、插銷以及顯示當前電機運動狀態(tài)等)，根據(jù)功能模塊設(shè)計人機交互界面，如圖9所示。

(a) 軟件界面

(b) 軟件實際應(yīng)用

2.2.2 脈沖補償值計算方法

為了使變胞動作順利進行，需要準確計算脈沖補償值，其計算方法如下：機器人以單自由度狀態(tài)運動至變胞位置P后，使用軟件的調(diào)試功能可記錄當前2軸脈沖值，記為a；旋轉(zhuǎn)2軸使離合器對齊并可以順利開合，記錄此時的2軸脈沖值，記為b；閉合離合器后，再次轉(zhuǎn)動2軸，使光電開關(guān)到位，再微調(diào)2軸使插銷可以順暢插拔，記錄此時的2軸脈沖值，記為c。則P點處的變胞補償值C1=b-a，C2=b-c，C3=a-c。軟件將此操作步驟及計算程序?qū)懭搿把a償值計算”子功能模塊中，用戶能夠快速計算出多個常用變胞點的脈沖補償值，同時軟件提供數(shù)據(jù)庫，方便日后查詢、存儲與調(diào)用。

2.2.3 變胞碼垛路徑控制程序

為了穩(wěn)定、快速的運行變胞碼垛路徑，其控制程序主程序流程圖如圖10所示。運行變胞碼垛路徑控制程序時，變胞動作與軸組動作不同時進行，即僅在靜止狀態(tài)下進行離合器的開閉以及插銷的插拔，同時軟件設(shè)置了狀態(tài)檢測功能，若插銷插拔或離合器開閉未成功將自動停止變胞動作，保證了機器人運行碼垛軌跡時的安全性。

(a) 單自由度變二自由度程序

3 實驗測試

控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完畢后，根據(jù)機器人系統(tǒng)的電路圖完成伺服系統(tǒng)以及其他電氣部件的接線，如圖11所示，并以6 kg負載重物作為搬運物件進行實驗，如圖12所示，設(shè)置循環(huán)次數(shù)10次，其中變胞位P3和P4的脈沖補償值使用2.2.2的方法得到。在運動過程中，通過三軸加速度傳感器測量其振幅，并與仿真碼垛軌跡結(jié)果對比得到運行誤差，其中變胞平面內(nèi)y軸方向誤差最大，取10次循環(huán)中誤差最大的一組數(shù)據(jù)分析，y軸方向?qū)嶋H位移及y軸方向?qū)嶋H位移與理論位移之差如圖13所示。從圖13中可以看出本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的在機器人進行變胞碼垛路徑運動時，最大運行誤差出現(xiàn)在變胞時刻，最大值為0.6 mm。實驗表明，該控制系統(tǒng)能夠滿足可控變胞碼垛機器人的控制要求，可以穩(wěn)定并較為精準的執(zhí)行變胞動作并完成變胞碼垛路徑任務(wù)。

圖11 控制柜接線圖Fig.11 Wiring diagram of control cabinet

圖12 樣機實驗測試圖Fig.12 Test diagram of prototype experiment

(a) y軸方向?qū)嶋H位移

(b) y軸方向運動誤差

4 結(jié)論

本文基于可控變胞碼垛機器人提出了一種新型的碼垛路徑運行方式，并采用閉環(huán)矢量法對其進行正運動學分析以及運動學仿真，同時設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了軸組運動、變胞動作、變胞碼垛路徑等主要功能，采用“運動控制卡+工控機”的上下位機控制模式，實時性好、有良好的人機交互界面，且實現(xiàn)變胞動作的硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，便于控制。實驗測試表明，基于本控制系統(tǒng)的可控變胞碼垛機器人具有高精度以及高可靠性的顯著特點，因此，通過完整的控制系統(tǒng)設(shè)計，為變胞式工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)提供了參考。