搬運機器人控制系統的設計及界面功能開發

□ 郭井寬

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 設計背景

隨著工業機器人的發展,搬運機器人由于負載大、工作范圍大等特點,被廣泛應用于汽車加工生產、包裝碼垛、柔性化自動生產線中。特別是在工作環境較為惡劣的環境中,搬運機器人的應用更為廣泛。

開放式機器人控制系統采用模塊化、層次化的控制體系結構,利用各個模塊的兼容性和通信的一致性進行構建,具有獨立的操作平臺、統一的應用程序接口、風格一致的用戶界面,用戶可以根據需要進行模塊擴展,配置靈活方便,適應性強。

搬運機器人的應用廣泛,碼垛工藝是搬運機器人的研究熱點。開發基于搬運或碼垛等通用需求的控制系統及用戶界面,在實現驅動、自動運行、通用設置、密碼服務、傳送、信息維護等搬運機器人通用功能的同時,具備垛型設計、自動碼垛、運輸線設計等專用功能,具有重要意義。

筆者采用開放式機器人控制系統架構,通過分析搬運機器人的應用需求,結合硬件及軟件設計經驗,對搬運機器人的控制系統進行設計,對其界面功能進行開發,并進行有效性驗證,為搬運機器人在碼垛領域的應用奠定基礎。

2 控制器硬件設計

搬運機器人控制系統的硬件主要由控制器和示教器兩部分組成,控制器實現運動控制算法、碼垛算法、數據存儲等功能,示教器負責系統的顯示。

2.1 工業主板

為了降低成本,采用CAPA842工業主板作為控制器硬件平臺。這一主板采用主頻高達2 GHz的J1900四核處理器,具有4 GByte DDR3L內存和128 GByte固態硬盤,包含兩路RS 232、RS 422、RS 485復用接口,兩路RS 232接口,兩路10 MBit/s、100 MBit/s、1 000 MBit/s復用網口,四路通用串行總線接口,八路輸入、輸出接口,具有視頻圖形陣列、高清多媒體接口雙顯示功能,具備一條CFast卡卡槽、一條用戶識別卡卡槽、一個全高Mini PCI-E接口、一個半高Mini PCI-E接口。全高Mini PCI-E接口可外接固態硬盤,半高Mini PCI-E接口可外接無線保真模塊、控制器局域網等擴展模塊。CAPA842工業主板如圖1所示。

▲圖1 CAPA842工業主板

2.2 擴展板

為了方便供電,并且與驅動器、手持操作盒等搬運機器人其它部件進行可靠通信,在主板的基礎上開發了一塊擴展板,實現主板資源的最大化利用。擴展板具有電壓轉換功能,包含一路RS 232、RS 422、RS 485復用接口,兩路RS 232接口,兩路通用串行總線接口,八路輸入、輸出接口。擴展板如圖2所示。

▲圖2 擴展板

2.3 電壓轉換模塊

CAPA842工業主板采用+12 V電壓供電,為了與輸入輸出模塊、手持操作盒供電方式一致,設計了24 V轉12 V的電壓轉換模塊。采用URB2412_YMD型DC-DC模塊,這一模塊體積小巧,輸出功率為20 W,具有4∶1超寬電壓輸入范圍,效率高達90%,常規隔離電壓為1 500 V,同時具有輸出過壓、輸出過流、輸出短路、過溫等保護功能。電壓轉換模塊原理如圖3所示,其中瞬態二極管D4用于吸收浪涌功率,SMD1、R5、C9用于電磁屏蔽測試,C10、L1、C1、C12用于電磁干擾濾波。

▲圖3 電壓轉換模塊原理

2.4 串口保護電路

串口保護電路原理如圖4所示。將主板上一路RS 232、RS 422、RS 485復用接口引出至擴展板,并加入共模扼流線圈NF1濾除信號線上的共模電磁干擾,兩個瞬態二極管D7、D10用于吸收浪涌功率。

▲圖4 串口保護電路原理

2.5 通用串行總線接口保護電路

通用串行總線接口保護電路原理如圖5所示。將主板上兩路通用串行總線接口引出,加入瞬態電壓抑制二極管D11,用于抑制靜電、脈沖群、閃絡對高速數據的干擾。

▲圖5 通用串行總線接口保護電路

2.6 輸入輸出光耦隔離電路

主板提供八路輸入、輸出接口供用戶自由配置。根據搬運機器人的工作需求,設置為六路輸入和兩路輸出,分別加入光耦隔離保護。

輸入光耦隔離電路原理如圖6所示。當輸入端DI外接高電平,公共端IN_COM接地時,光耦U2導通,MI1端為低電平,接至主芯片輸入端。反之,MI1為高電平。開關二極管D2用于防止靜電釋放干擾。

▲圖6 輸入光耦隔離電路原理

輸出光耦隔離電路原理如圖7所示。當輸出端MO1輸出低電平時,光耦U9導通,此時通過外部輸出端DO1和公共端OUT_COM之間所加電壓,可以控制外部繼電器的開與關。

3 示教器硬件設計

示教器硬件部分包括液晶屏驅動板、觸摸屏驅動板、信號轉接板,液晶屏驅動板用于視頻圖形陣列顯示、驅動液晶屏點亮,觸摸屏驅動板用于觸控,信號轉接板用于電壓轉換、薄膜按鍵信號通信、急停/使能/模式選擇信號通信。示教器硬件結構框圖如圖8所示。

▲圖8 示教器硬件結構框圖

4 軟件設計

搬運機器人控制系統軟件主要包括回零、直接驅動、連續運動控制、通信等功能模塊,能夠梳理自動控制線程、手動控制線程等重要流程,確保運行安全穩定。搬運機器人控制系統軟件功能框圖如圖9所示。

▲圖9 搬運機器人控制系統軟件功能框圖

搬運機器人控制系統軟件流程如圖10所示。

▲圖10 搬運機器人控制系統軟件流程

(1) 初始化及建立通信。系統運行開始后,首先進行初始化,完成相關參數配置文件的載入。然后進入機器人類型選擇界面,軟件預置了不同類型及型號的機器人模型,通過點擊圖片選擇,即可載入相應的機器人參數配置文件,并依據參數文件對硬件進行配置。機器人選擇完成后,軟件與驅動器、數字量輸入輸出模塊等硬件建立通信。

(2) 開機診斷。通信建立流程完成后,返回結果并進行診斷。若通信建立失敗,則報出相應錯誤代碼、診斷結果及解決策略。若通信建立成功,則進入機器人尋零界面,同時執行機器人故障檢測任務。故障檢測任務獨立循環執行,直至系統運行結束。

(3) 機器人尋零。由于采用的電機編碼器為無電池式絕對位置編碼器,在系統斷電后不能記憶位置值,因此每次開機均需要進行尋零操作。進入機器人尋零界面后,點擊啟動按鈕,機器人開始執行尋零程序。

(4) 功能選擇。機器人尋零完成后進入主界面,主界面中可以選擇自動運行、直接驅動、數據管理、參數設置等功能,選擇后進入相應的流程。

選擇自動運行,則系統切換至自動運行模式,完成各軸驅動器使能、輸送帶控制程序開啟、抓手松開等一系列初始化操作,并載入當前碼垛數據塊,根據數據塊數據計算碼垛過程的位置點。計算過程包括機器人運動學逆解、托盤坐標系至世界坐標系轉換、避障點計算等,然后等待啟動按鈕。

選擇直接驅動,則系統切換至手動運行模式,確認各軸使能斷開,載入各軸運動參數,切換各軸至JOG運動模式,然后等待使能開關按下。若使能開關沒有按下,則在界面上點擊正轉、反轉按鈕無響應。若使能開關按下,則各軸使能,正轉、反轉按鈕有效,各軸可執行JOG運動。設置合理的高速、中速、低速數值,通過切換速度,使示教過程高效、準確。通過直接驅動到達目標位置后,無論先松開使能按鈕還是先松開正轉、反轉按鈕,機器人均可正常停止運行。

選擇數據管理,系統從數據塊列表中讀取數據塊內容,顯示在界面上。可以在原有列表后新建數據塊,流程如下:選中列表中的第一個空數據塊索引值,該數據塊變為可編輯狀態;輸入數據塊名稱,選取抓手編碼;進入示教頁面,通過直接驅動機器人各軸進行示教操作,記錄抓取中心、托盤中心、托盤方向等碼垛過程中的位置點,頁面提示結果是否保存成功;進行垛型創建,設置垛型參數,如層數、步數、產品尺寸、凸出余量等,點擊生成垛型,并采用圖形化操作進行平移、旋轉等微調;完成上述操作,數據塊內容完整保存至數據塊列表,并可斷電保持。

(5) 程序退出。各功能流程完成后,返回主界面,選擇關機,則斷開通信,退出程序,關閉系統。

5 界面功能

搬運機器人控制系統共有直接驅動、自動運行、通用設置、密碼服務、機器人系統、輸送系統、信息維護七個界面功能。其中,機器人系統界面包括數據管理、垛型創建、示教編程等子界面,主要對搬運過程及碼垛工藝進行操作;輸送系統界面主要根據現場情況對傳送線進行設計,對相應的信號進行監控;信息維護界面具有歷史信息記錄、故障診斷、更新幫助等功能,主要對運行過程中的故障信息進行報警診斷,對搬運機器人的歷史操作進行記錄。

5.1 直接驅動功能

搬運機器人控制系統具有直接驅動功能,可以通過示教器對搬運機器人的各軸進行直接驅動操作。

5.2 自動運行功能

在50 kg負載、80%額定速度的正常運行環境下,搬運機器人控制系統可以按照事先設定的垛型及參數,正常循環運行。自動運行界面如圖11所示。

▲圖11 自動運行界面

5.3 通用設置功能

搬運機器人控制系統具備通用設置功能,主要實現串口、網口通信參數的設置,以及搬運機器人抓手的相關編碼設置,支持串口RS 232、RS 485兩種類型通信,網口支持傳輸控制協議/網際協議、以太網控制自動化技術兩種通信方式。通用設置界面如圖12所示。

▲圖12 通用設置界面

5.4 機器人系統功能

機器人系統功能包括數據管理、垛型創建、示教編程等。碼垛過程數據以數據塊形式存儲,每個數據塊包含名稱、抓手編碼、抓取中心、托盤中心、設計垛型等數據。通過數據管理功能,可以方便地對數據塊進行新建、復制、刪除、修改、上下翻頁查看等。在垛型創建功能中,搬運機器人控制系統預設了五種垛型,并且可以進行個性化刪減與調整。結合現場托盤尺寸、產品尺寸等,能夠快捷生成符合要求的垛型數據塊。示教編程功能主要是對各軸位置及生成碼垛的關鍵點,如抓取中心、托盤中心、托盤方向等進行示教編程操作。垛型創建子界面如圖13所示。

▲圖13 垛型創建子界面

5.5 輸送系統功能

根據現場輸送系統的情況,可以自由創建傳送線段,并綁定開關量,用于控制輸送系統。輸送系統界面如圖14所示。

▲圖14 輸送系統界面

5.6 信息維護功能

信息維護功能包括歷史信息記錄、故障信息、更新幫助界面等。通過歷史信息記錄功能,可以對碼垛時數據塊的運行次數進行統計。通過故障信息功能,可以顯示搬運機器人當前故障,并記錄至故障信息列表,記錄內容包括故障發生時間、故障代碼、故障累計發生次數、故障解決策略。

6 測試驗證

采用四軸平行機構搬運機器人對所設計的控制系統進行測試驗證,在50 kg負載、80%額定速度正常運行環境下,搬運機器人能夠按照事先設定的垛型及參數正常循環運行,驗證了設計的正確性和合理性。

7 結束語

筆者對搬運機器人控制系統進行了設計,對界面功能進行了開發,并通過四軸平行機構搬運機器人進行了測試驗證,確認了設計的合理性,具有推廣價值。