虛擬仿真技術在裝配機械手控制系統中的應用

郝雷，高月華，李亞朋，萬真真

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定　071002)

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虛擬仿真技術在裝配機械手控制系統中的應用

郝雷，高月華，李亞朋，萬真真

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定071002)

結合虛擬現實技術與電氣控制技術，針對裝配生產線的特點和控制要求，開發了一套虛擬仿真系統，可用于系統監控、調試和人員培訓.利用羅克韋爾軟件編寫電氣控制程序，通過RSTestStand軟件搭建機械手自動裝配系統的3D虛擬仿真模型，并基于虛擬可編程控制器(PLC),實現了直線型、余弦-直線型速度曲線調速方案在虛擬仿真對象上的應用.虛擬仿真對象的動作視覺效果和監控曲線表明，控制系統工作良好，通過在機械手各動作的啟停、加減速、勻速轉換時引入余弦調速方案對速度控制進行優化，有效減小機械臂關節的震動和頓挫，取得了較好的動作流暢性.

虛擬仿真；裝配機械手；調速

裝配機械手廣泛應用于工業生產，是機電一體化集成度較高的執行器，涉及機械設計、電氣控制、人工智能等多種學科[1].機械手虛擬仿真系統可完成人員培訓、監控等任務，在提高效率、節省成本方面意義較大.虛擬仿真是指用一個虛擬系統模仿另一個真實系統[2]，是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗[3].虛擬仿真技術已經應用到了數字城市、場館仿真、工業仿真、汽車仿真、水利電力等方面[4].把控制系統中的數字信息變為直觀的、以圖形圖像形式表示的、隨時間和空間變化的虛擬仿真過程，能夠讓使用者更好地了解系統中各元器件之間的關系，可更好地決策，直接獲得系統的動態和靜態特性[5].當今虛擬場景下機械手的運動、控制仿真成為熱點研究問題,國內的研究集中在虛擬仿真機械手的設計、建模、動力學分析[6]，但鮮見其應用于工業輔助設計和職業技術培訓中[7].而國外在機械手虛擬仿真技術的相關應用領域做出了突出成績，加拿大國家研究院利用虛擬仿真技術開發的觸覺反饋的機械臂已成功在醫院培訓神經外科醫師中應用[8],同時美國愛荷華州立大學也在研究虛擬仿真機械手上使用基于阻抗的觸覺力產生方法[9]，在醫療康復領域意大利那不勒斯大學利用虛擬仿真研制了輪椅機器人，用來采集實驗數據和殘障人士的一些感受、意見，具有安全、成本低、再現性好、對干擾的魯棒性強等特點[10].

本系統可用于培訓自動化技術人員，也可幫助設計人員用于機械手的設計開發，采用羅克韋爾RSLogix 5000軟件編寫生產線及裝配機械手控制程序，并下載到由RSLogix Emulate軟件虛擬的PLC中；使用RSTestStand軟件搭建三自由度機械手自動裝配系統的3D仿真模型；通過RSLinx Classic軟件，建立RSLogix Emulate和RSTestStand之間的數據通信，完成了基于PLC和3D對象模型的機械手虛擬仿真控制系統，結合三角函數曲線和梯形曲線，實現了余弦-直線型速度曲線在傳送帶及機械手臂升降、水平旋轉、伸縮運動上的應用,有效減小機械手的振動幅度.

圖1　虛擬仿真系統總體結構Fig.1　Schematic diagram of virtual simulation system

1　系統總體結構

為保證系統兼容性，采用羅克韋爾控制器、配套模塊及軟件，如圖1所示，使用RSLogix 5000分別編寫機械手模型的底層控制程序和動作仿真程序及調速程序，通過RSTestStand軟件制作出機械手裝配生產線實驗設備的3D仿真模型，通過RSLinx Classic的OPC接口連接到PLC的變量標簽上，建立由RSLogix Emulate虛擬的PLC與仿真模型的通信.系統在3D場景下可以完成裝配生產線中配件的運送、檢測、入庫存儲，其中裝配機械手可做升降、伸縮、旋轉和抓取動作.

2　搭建模型及控制系統實現

2.1建模過程

RSTestStand軟件中機械手自動裝配生產線3D仿真模型搭建步驟如圖2所示.第1步創建一個新項目后，選擇菜單欄上的Scence，添加一幅新的3D場景視圖；第2步在其中雙擊添加的圖形，設置圖形的大小、位置、顏色等屬性；第3步雙擊要定義變量的設備資源，添加新的標簽，并對標簽的名字、類別、初始值等進行設置；第4步選擇Logic View，打開流程圖編輯器，寫入需要實現的程序語句；第5步右擊需要連接變量的圖形，在Object里面點擊Variable Controls，實現變量控制圖形屬性，把相應的變量拖拽到要控制的圖形屬性上面；第6步點擊工具欄的仿真按鈕，觀察運行效果.

2.2機械手控制程序流程

程序開始運行，當配件到達指定位置時，位置檢測傳感器的常開觸點被觸發，機械手臂開始動作，手臂下降、抓取配件、手臂和配件上升、手臂和配件旋轉、伸臂、手臂下降、釋放配件，機械臂動作完成，配件放在槽上，配件和槽向倉庫運動，機械手裝配控制流程如圖3所示.同時機械手臂動作復位準備抓取下一個配件.機械手臂的底層控制程序還完成機械手動作的互鎖，以保證上一個動作確實完成后下一個動作再進行.

圖2　仿真模型搭建步驟Fig. 2　Steps of building the simulation model

圖3　機械手裝配程序流程Fig.3　Program flow chart of Manipulator assembly

2.3控制程序設計及調試

仿真控制、底層控制、速度控制等電氣控制程序由RSLogix 5000編寫，由虛擬PLC執行.使用RSTestStand建立虛擬被控對象系統，本文中為保證程序可讀性，虛擬對象使用與電氣控制系統中一致的系統變量標簽.RSLinx提供的OPC接口，使得以上所述的控制程序與虛擬對象能夠相互通信.因此，由PLC控制并執行配件和槽的出倉、位置傳感器檢測及顯示、輸送帶傳送、機械手裝配、成品入庫等工步，實現了與虛擬環境中虛擬生產線的同步.

仿真模型與實際設備存在差異，梯形圖編寫過程中，仿真程序被開發為獨立的模塊以期實現實際設備中的各個傳感器功能，如機械手臂是否抓取到位、裝配時貨物是否到位等，進而編寫機械臂的動作，如上升、下降、旋轉等.模塊中主要運用定時器及互鎖確定每個動作的定位和準確性及可操控性.

虛擬仿真裝配生產線控制系統，各單元動作協調到位，機械手先后抓取2種不同形狀的配件，無互相干擾而造成的動作缺失或混亂現象.

3　調速優化

生產線上的設備有不同運動速度要求，傳送帶運行和機械手抓取產品時，急速啟停或抖動，易出現產品碰撞或其他意外事故，造成不必要的損失.為平滑執行器運動速度，將余弦規律引入直線調速中，并在3D虛擬仿真對象中實現了直線型和余弦-直線型調速曲線對比實驗.

設計中機械手旋轉角度大、時間較長，采用如圖4所示的調速方案較為合理，而升降、伸縮運動距離小、時間短，則考慮選用如圖5所示的調速方案.以上2種調速方案可根據控制要求，選取相應的標準余弦曲線的最大速度，角速度和運行過程中的最大速度，進而可確定速度曲線各階段的特征點參數，如延遲時間tA、上升時間tB、峰值時間tC等.

為進行對比實驗，首先實現了優化速度曲線方案，程序中通過改變加速時間和最大運行速度，本文實現了5種余弦-直線型曲線，調試結果如圖6所示.機械手中速旋轉曲線和快速旋轉曲線相比較，最大速度一樣，但是加速減速時間不同；中速旋轉曲線和慢速旋轉曲線的加減速度時間相同，但中速的最大速度是慢速旋轉的2倍；機械手伸縮動作和升降動作均沒有勻速階段，加速和減速時間相同，伸縮動作的最大速度是升降速度的2倍.

圖4　長型余弦直線型速度曲線Fig. 4　Long type cosine linear velocity

圖5　短型余弦直線型速度曲線Fig. 5　Short type cosine linear velocity curve

圖6　調速優化曲線簇Fig. 6　Curves of speed optimization contorll

結合底層控制程序，先將直線型調速方案施加于3D虛擬仿真機械手上，通過RSTestStand監控，結果如圖7所示，經過多次調試，旋轉、伸縮、升降的上升時間分為3 000 ms、2 000 ms、2 000 ms，最大速度分別為0.5、0.19、0.1 m/s，消除了勻加速與勻速轉折點的波動，但通過視覺觀察其效果，機械手動作較僵硬.

采用優化的余弦-直線型曲線調速方案，并根據裝配機械手動作特點，旋轉動作選取中速余弦直線型曲線，伸縮動作、升降動作分別選取快速和慢速余弦型曲線，上升時間與速度參數值與直線型調速方案一致，系統實際運行結果如圖8所示，余弦-直線型調速方案下的機械手運動速度曲線平滑、無波動，機械手動作3D視覺效果的表現更柔順逼真.

圖7　機械手直線型運動速度曲線Fig.7　Manipulator's speed curves of linear motion

圖8　機械手余弦直線型運動速度曲線Fig.8　Manipulator's speed curves of cosine motion

4　結論

構建了一套基于虛擬現實和電氣控制的裝配生產線控制系統，通過引入余弦-直線型調速曲線以平滑裝配機械手各關節的運動速度，減小其抖動對抓取物產生的不利影響.通過在速度曲線的轉折點處調用余弦規律程序施加于機械手各關節執行器，實現變頻調速的優化，余弦與直線的銜接點無振動.實驗結果表明，虛擬仿真機械手的實測速度曲線平滑，視覺效果流暢自然，實現了預期目標.

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(責任編輯：王蘭英)

Application of virtual simulation technology for assembly manipulator

HAO Lei，GAO Yuehua，LI Yapeng，WAN Zhenzhen

(Electronic and Information Engineering College,Hebei University, Baoding 071002,China)

A virtual simulation system which is combines electrical control and virtual reality technology is proposed.The system’s monitoring,debugging and staff training for visual simulation process of industrial control applications are realized.The control program obtained by software of Rockwell is running on PLC.3D virtual simulation model of the automatic assembly system of manipulator is structured by the RSTestStand.To reduce mechanical arm joint motion and force effectively,acceleration and speed reduction of the manipulator movement and optimization of the speed using cosine timing scheme in uniform conversion were performed.The experimental verification of motion visual effect and real-time monitoring curve on the object of virtual simulation is achieved.

virtual simulation;assembly manipulator;speed regulation

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.04.018

2015-05-27

國家自然科學基金資助項目(11271106)；河北省自然科學基金資助項目(B2014201008)；河北省高等學校科學技術研究項目(Z2015147)

郝雷(1978—)，男，黑龍江綏化人，河北大學講師，河北大學在讀博士，主要從事醫學圖像處理和自動控制方向研究.E-mail:leihao@hbu.edu.cn

高月華(1977—)，女，河北正定人，河北大學講師，主要從事自動控制和圖像處理方向研究.

E-mail:yuehuagao@hbu.edu.cn

TP301.6

A

1000-1565(2016)04-0444-05