基于PLC的模塊化可重構機器人的關節模塊控制系統設計

李 梅（阜陽職業技術學院工程科技學院，安徽阜陽 236031）

隨著《中國制造2025》的發展，高端制造業轉型升級已經取得了巨大的進步，而眾所周知高端制造業的發展及轉型離不開工業機器人。目前，根據實際生產的需要，選擇、制造、使用合適的工業機器人完成指定任務已經變為現實。但是事實上，實際生產作業中有許多的不確定性因素，這些不確定的因素使得無法確定具體的任務內容，當然也就無法根據任務去定制機器人。面對這種情況，研發一種可以隨著不同外界因素的變化而進行自身變化的機器人系統變得尤為重要。固定式的機器人肯定無法滿足要求，因此，可重構模塊機器人便應運而生[1]。

模塊化可重構機器人可以根據不同實際生產的要求，重構成不同的構型，滿足不同的生產需要，所以這種機器人的環境適應性會更強。簡單來說，這種機器人是由不同的模塊組成，這些模塊使不同尺寸大小的，具有某些特定功能的關節等，使用時可以用不同的方法進行拆卸、組裝完成[2]。本文所述的系統主要是由PLC控制單元、模塊控制單元、調節單元、顯示單元和監控單元構成。該系統能夠通過設置調節單元和模塊控制單元對機器人各個驅動設備設置的參數進行修改，從而在機器人的模塊化部件轉變使用狀態或者轉變使用職能時對部件進行調節控制，有效的方便機器人的模塊化部件進行多樣組合使用。該系統總體結構如圖1所示。

1 系統各單元功能介紹

1.1 PLC控制單元

PLC控制單元和系統中其他的所有單元相連，占據著核心地位，其主要功能是：它與調節單元相連，能夠對模塊控制單元進行參數設置與更改；它與模塊控制單元相連，能夠實現實時數據的傳輸與交換；它與顯示單元相連，能夠對機器人模塊化部件的信息和執行操作情況進行實時顯示，方便現場工作人員進行查看；它與監控單元相連，能夠完成對機器人模塊化部件的位置進行實時監控。

圖1 系統的總體結構圖

1.2 模塊控制單元

模塊控制單元的主要功能是：通過模塊控制單元中的存儲器、單片機、控制器等對機器人的模塊化部件的數據進行存儲、修改和單個操作控制。

1.3 調節單元

調節單元的主要功能是：通過與PLC單元進行連接對PLC進行編程、調試、修改等，借助其固有的輸入設備通過PLC和對應的通訊模塊與控制器對機器人模塊化部件的數據進行修改和設置。

1.4 顯示單元

顯示單元的主要功能是對機器人模塊化部件的信息和執行操作情況進行顯示。

1.5 監控單元

監控單元的主要功能是對機器人模塊化部件的位置進行定位并對其位置情況和具體使用情況進行實時監控。

綜上所述，在這五個單元的共同作用下，系統能夠對驅動設備設置的參數進行更改，便于機器人的模塊化部件進行構型變化，這樣工業機器人完成的功能任務就可以進行變化，提高了整個系統的適用性[3]。系統的總體框架圖如圖2所示：

圖2 系統的總體框架圖

2 系統各單元設計

基于PLC的模塊化可重構機器人的關節模塊控制系統的顯示單元使用的是顯示器，監控單元使用的是GPS定位器和攝像頭。目前市場上普通的顯示器、GPS定位器和攝像頭都能滿足要求，其結構設計和控制過程均較為簡單，這里不再詳述。下面主要介紹PLC控制單元、模塊控制單元及調節單元的設計。

2.1 PLC控制單元的設計

PLC控制單元是整個系統的核心，肩負著與其他所有單元進行通訊、數據交換的使命，因為工業機器人本身的控制較為復雜，所以PLC選擇的是由德國西門子公司生產、能夠搭配不同檔次PLC、具有工業以太網連接方式、可搭配多個不同擴展模塊的西門子S7-300的PLC。S7-300具有標準型和緊湊型兩種結構，在工業控制領域中，使用廣泛。S7-300 PLC硬件結構[3]如圖3。

2.2 模塊控制單元的設計

為了對模塊化機器人能夠更好地進行操作，模塊控制單元設計了三種同樣類型的控制單元，每個控制單元分別由存儲器、控制器、單片機和無線通訊模塊組成。這三個控制單元既是相互獨立的，又能夠根據不同的機器人構型的要求進行相應的設置，以滿足不同場合的機器人的使用。具體是通過存儲器1、存儲器2和存儲器3對機器人的模塊化部件的信息進行存儲，單片機1、單片機2、單片機3對機器人模塊化部件的數據進行單獨數據處理，控制器對機器人的模塊化部件進行單個控制，然后通過無線通訊模塊1、2、3與PLC之間進行數據交換，最終通過調節單元的工業控制計算機進行參數的設置與變換。該單元的結構圖如圖4所示。

圖3 S7-300 PLC的硬件結構組成

圖4 模塊控制單元的結構圖

2.3 調節單元的設計

調節單元主要是由一臺具有計算機主板、CPU、硬盤、內存、外設及接口，并有操作系統、控制網絡和協議的工業控制計算機構成的[4]。當然，這臺工業控制計算機也具有計算能力和友好的人機界面。系統在PLC控制單元的協調下，能夠通過調節單元工業控制計算機向單片機1、單片機2和單片機3發送指令，從而對控制器1、控制器2和控制器3的驅動設備設置的參數進行更改。

3 結束語

基于PLC的模塊化可重構機器人的關節模塊控制系統在PLC控制單元的協調下，能夠通過調節單元工業控制計算機向單片機1、單片機2和單片機3發送指令，從而對控制器1、控制器2和控制器3的驅動設備設置的參數進行更改，進而對機器人的模塊化部件在轉變使用狀態或者轉變使用職能時對部件進行調節控制，有效地方便機器人的模塊化部件進行多樣組合使用，可以進行獨立操作或者整體連接操作，提升組合式使用的便捷性。另外，系統可以通過監控單元攝像頭對機器人的模塊化部件在使用時的具體使用狀態、部件的安裝位置和放置位置進行監控，通過顯示單元顯示器對機器人的模塊化部件的信息和執行操作情況進行顯示，有效地提升了對機器人模塊化部件在重構后轉變使用狀態和使用職能進行監控，并對使用后產生的效果進行有效監測[5]。也就是說在各個單元的共同作用下，系統能夠對驅動設備設置的參數進行更改，便于機器人的模塊化部件進行構型變化，這樣工業機器人完成的功能任務就可以進行變化，從而提高了整個系統的適用性。