雙機器人協調控制系統設計

武永強，于 濤

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院 錦州 121000）

0 引言

工業機器人在工業領域應用十分廣泛，隨著我國產業結構升級以及生產要求的提高，單個工業機器人已經不能完全滿足某些生產任務的需求，雙機器人協調技術開始登上歷史舞臺[1]。

目前，工業生產線通常由多個工業機器人與其他設備配合搭建而成，來完成整個生產線的生產任務[2]。王元生等[3]設計了一種工業機器人自動裝卸控制系統，但是這種工業機器人控制系統是單個工業機器人的。曲道奎等[4]采用分層遞階結構建立了一個3級結構雙機器人協調控制系統，但是這種控制系統用于工業生產顯得十分復雜。基于工業生產的需求，有必要設計一種操作簡單、安全可靠的雙機器人協調控制系統。本文將在分析雙機器人協調運動的基礎上，設計一種簡單而又實用的雙機器人協調控制系統，來滿足工業生產需求、降低工業生產成本、提高工業生產效率。

1 理論分析

1.1 雙機器人協調分類

雙機器人運動協調可以分為兩類：雙機器人同步運動協調和雙機器人相對運動協調[5]。

1）雙機器人同步運動協調：雙機器人在運動期間相對位姿關系保持不變，雙機器人之間具有很強的同步性。雙機器人相對運動協調：雙機器人在運動期間保持位姿約束和相對運動約束，雙機器人之間有很強的協調性。

1.2 雙機器人協調坐標系建立

分析雙機器人協調系統中的機器人基座標、末端坐標、工具坐標、工件坐標的運動關系，建立坐標簡圖如圖1所示。

圖1 坐標關系簡圖

雙機器人協調系統中有主機器人和從機器人，令主機器人為1號機器人，從機器人為2號機器人。機器人代號用i表示，i=1，2；{Ri}表示機器人的基坐標系；{Ei}表示機器人的末端坐標系；{Ti}表示機器人的工具坐標系；{Wi}表示機器人的工件坐標系。

1.3 雙機器人協調運動學分析

根據圖1所示的坐標關系簡圖，可以得到主從機器人（即1號機器人和2號機器人）的末端坐標相對于基座標的變換矩陣。利用變換矩陣再根據機器人運動學反解即可求出機器人各個關節的角度，便于機器人系統控制各個關節角度。變換關系如下：

將式(1)和式(2)進行變形，可得：

式(3)和式(4)中，EiTTi（式中i是相同的）是機器人工具坐標相對于末端坐標的變換矩陣，該矩陣由機器人的末端工具決定；TiTW是工件坐標系相對于工具坐標系的變換關系，工件坐標系可以根據任務需要設定，故該矩陣是一個時變矩陣；RiTW是工件坐標相對于機器人基座標的變換矩陣，主從機器人具有相同的工件坐標，此處使用工件坐標相對于主機器人的變換矩陣R1TW；R1TR2是雙機器人在基座標標定時唯一確定的。綜上所述，式(3)和式(4)等式右端可以唯一確定，R1TE1和R2TE2也可以由此唯一確定。通過機器人的逆解即可得到機器人各個關節的角位移，通過控制關節角位移使機器人到達該位置。

2 控制系統設計

2.1 控制方案

以雙機器人協調搬運為例，設計雙機器人協調控制系統。雙機器人協調控制系統主要包括PLC、觸摸屏、Robot1、Robot2和其他輔助設備。為了讓雙機器人協調更加可靠、容錯率更高，該雙機器人協調控制系統采用雙向傳輸、多分支結構的現場總線控制方式。控制系統拓撲結構如圖2所示。

圖2 控制系統拓撲結構

雙機器人協調控制系統以PLC作為控制系統的核心，負責協調主機器人、從機器人以及其他設備之間的協調運動關系，并接收控制系統的各種反饋信號。觸摸屏作為控制面板，可直接與PLC實時通訊并獲取PLC中的數據進行必要的數據處理。主從機器人以及其他設備同時受PLC的控制，也可以實現兩兩之間的自由通信。

觸摸屏和PLC之間用以太網口連接，使數據傳輸更加便捷。主從機器人均采用機器人標準I/O板DSQC651，使用DeviceNet總線通訊。主從機器人與其他設備以及PLC之間均采用I/O信號通信。

2.2 硬件選型

由圖2的控制系統拓撲結構看出，該控制系統主要有4個設備。其他設備需根據實際生產情況而定，這里以常見的傳送帶和機器人末端工具——吸盤為例。

主從機器人均選用ABB-IRB120作為研究對象，該工業機器人小巧靈活，支持DeviceNet通訊協議。

傳送帶主要靠電機拖動，這里用松崗傳送帶變頻三相調速電機來拖動傳送帶。為了讓調速更加方便，用三科變頻器來為電機調速。

PLC采用西門子S7-200SMART PLC，該PLC支持以太網通訊，能夠和觸摸屏直接通訊。由于本控制系統的I/O信號較多，這里選用PLC的CPU型號為ST40標準型CPU模塊。ST40標準型CPU模塊，晶體管輸出，24V DC供電，具有24DI/16DO。

觸摸屏選用昆侖通態MCGS觸摸屏，型號TPC1061Ti(Xi)。該觸摸屏尺寸為10寸，分辨率1024×600，主頻頻率為600MHz，內存和儲存均為128M，具有RS485和RS232串行接口以及以太網口各1個。

2.3 硬件連接與I/O分配

根據雙機器人協調系統的控制方案，設計控制系統原理圖如圖3所示。

圖3 控制系統原理圖

MCGS觸摸屏和PLC之間通過以太網口連接，PLC中的數據可以直接被觸摸屏獲取；PLC有時同時控制主從機器人，有時分別控制主從機器人；主從機器人的輸出信號均進入PLC中，再由PLC或者觸摸屏進行分析處理，從而進一步控制雙機器人協調運動。傳送帶的三相調速電機由PLC來控制，通過PLC控制接觸器來控制電機供電，通過PLC控制中間繼電器來控制電機啟動和停止。

PLC的I/O信號較多，部分I/O信號分配如表1和表2所示。

表2 PLC部分輸出信號分配表

表1中的d020的“2”表示Robot2，“0”表示該信號接機器人2的輸出Mapping地址0，后續表示方法相同。

3 程序編輯

程序編輯主要有機器人的程序編輯、PLC的程序編輯、觸摸屏的程序編輯。

3.1 機器人程序編輯

機器人的程序編輯可用示教器進行編程，也可以用RobotStudio仿真軟件進行離線編程。這里以雙機器人協調搬運為例，用RobotStudio仿真軟件對主從機器人進行編程。分別從以下四個方面詳細設計：工作站模型建立、SMART組件運用、指令編輯、工作站邏輯編輯[7～11]。

1）建立雙機器人協調搬運工作站

雙機器人協調搬運工作站主要包括主從機器人及控制柜、傳送帶、工件、吸盤、載物臺等。其中機器人以及控制柜在庫文件中直接導入，其余部件均用SolidWorks三維建模軟件建模后導入。建立協調搬運工作站如圖4所示。

圖4 雙機器人協調搬運工作站

雙機器人協調搬運的整個過程為：工件由傳送帶傳送到指定位置，觸發傳送帶上的位置傳感器；雙機器人接到工件到位信號后，各自運動至相應拾取目標點的位置；機器人給吸盤命令，吸盤吸附物體；開始協調搬運至載物臺上的箱子中。

2）創建SMART組件

為了讓整個仿真能夠更加逼近實際生產，需要為傳送帶和吸盤創建SMART組件[12]。

傳送帶模仿工件被源源不斷傳送過來，需要用到Source，LinerMover等組件。具體設計如圖5所示。

圖5 傳送帶SMART組件的設計

設置啟動信號di01來啟動傳送帶，開始工件的復制與傳送；當傳感器檢測到工件到達指定位置后，停止傳送并輸出信號d0ready。

吸盤模仿機器人呢吸取和放置工件的動作，主要用到Attacher和Detacher兩個SMART組件。具體設計如圖6所示。

圖6 吸盤SMART組件的設計

設置兩個輸入信號diattach和didetach，diattach連接Attacher組件，將工件吸附在吸盤上；didetach連接Detacher組件，將工件放下。

3）編輯指令

指令編輯時，首先要考慮機器人系統的I/O配置。以主機器人為例，根據控制系統原理圖，配置機器人系統部分I/O信號如表3所示，具體如何操作請參考文獻[13]。

表3 主機器人部分I/O信號分配表

主從機器人共同完成一個作業，在機器人指令編輯時需要考慮到主從機器人的協同。主從機器人運行軌跡具有很強約束性；運行時間具有很強的同步性；程序指令具有很強的相似性。為了機器人程序條理清晰，在編輯程序時都會使用嵌套模式。以主機器人指令編輯為例，主程序如下所示：

4）編輯工作站邏輯

工作站的邏輯對整個雙機器人協調系統十分重要，工作站的I/O信號都需要接入控制總站PLC中。工作站的邏輯編輯就是將外面輸入的控制命令給工作站中的相應設備，將工作站中設備的反饋信號送出去。根據控制原理圖，工作站邏輯設計部分連接如表4所示。

表4 工作站部分信號連接

3.2 PLC程序編輯

PLC用的是S7-200 SMART，故用編程軟件STEP7-MicroWIN-SMART-V2.4進行程序編輯。PLC作為控制總站，不僅要對雙機器人的協調運動作出控制，還需要對現場的其余設備進行控制。給出部分梯形圖程序如圖7所示。

圖7 雙機器人協調子程序

3.3 觸摸屏程序編輯

MCGS觸摸屏能夠支持多種設備的通訊，包括各種型號的PLC、儀表類、變頻器以及其他通訊模塊。用MCGS觸摸屏作為控制面板能夠采集多種設備的數據，實現多種設備之間的通訊；優化傳統控制面板；必要時也能編程，簡化PLC控制程序[13]。這里通過使用MCGS觸摸屏，可以控制并且監視整個雙機器人協調控制系統。

MCGS觸摸屏需用專門的MCGS組態環境軟件進行編輯。MCGS組態環境軟件編輯觸摸屏程序一般有以下幾步：

1）選擇TCP的類型和背景；

2）打開設備窗口，添加需要連接的設備，比如PLC、變頻器等；

3）在用戶窗口中新建窗口并命名，該窗口用于用戶操作；

4）在建好的用戶窗口中編輯控制組件，用來操作或者監控目標設備；

5）在設備窗口添加的設備中建立設備通道，與觸摸屏中的數據庫建立對接；

6）在用戶窗口里的各個組件中連接數據庫中的相應變量；

7）如果控制需要，可在運行策略增加相應策略來實現相應的邏輯順序，簡化PLC程序；

8）具體如何編輯觸摸屏程序以及如何載入觸摸屏程序請參考文獻[14]，利用MCGS組態軟件設計用戶操作窗口如圖8所示。

圖8 雙機器人協調控制系統用戶操作窗口

4 仿真與實驗

4.1 仿真驗證

RobotStudio仿真軟件能夠模仿整個雙機器人協調工作環境、協調工作狀態以及工作中出現的各種問題。通過仿真軟件的仿真功能，實現雙機器人協調搬運過程如圖9所示。

圖9 雙機器人協調搬運仿真

通過仿真軟件的仿真功能，利用工作站信號，操作雙機器人協調搬運。搬運開始后，主從機器人到達各自的拾取目標點等待工件傳送到指定位置；工件到位后，工作站同時給主從機器人開始吸取信號；吸取完成后，將信號反饋到工作站，主從機器人接到反饋信號再同時運動；到達放置目標點后，同樣將信號反饋到工作站，主從機器人接到反饋信號再同時放置；放置完成后再到拾取目標點進行下一循環。

仿真結果表明：在搬運過程中，雙機器人的末端吸盤約束關系保持不變；運行速度同步；運行軌跡安全。可見，雙機器人協調控制系統能夠完成雙機器人協調搬運工作。

4.2 實驗驗證

對雙機器人協調控制系統進行實驗，通過實驗能夠看出整個雙機器人協調控制系統的連貫性及合理性。

本實驗和雙機器人協調控制系統設計一樣，利用實驗室的兩臺ABB-IRB120工業機器人、SMART PLC、MCGS觸摸屏、三相交流電機以及氣動抓手進行實驗。用三相交流電機來代替傳送帶，用氣動抓手來代替吸盤。根據控制原理圖，實驗硬件連接如圖10所示。

圖10 實驗硬件接線圖

將主從機器人的程序分別載入各自的控制柜；PLC程序下載到PLC中；MCGS觸摸屏程序也導入觸摸屏中。通過安全測試和通訊測試以后，通過觸摸屏操作雙機器人協調控制系統，運行過程如圖11所示。

圖11 雙機器人協調運行過程

實驗過程中，觸摸屏作為控制面板，能夠操作和監控整個系統的設備；交流電機能夠正常啟停；雙機器人動作協調且運行平穩。實驗結果表明：雙機器人協調控制系統在不同的運行速度下都能夠保持末端執行器之間的協調關系，控制系統安全、可靠。

5 結語

本文設計的一種雙機器人協調控制系統，通過觸摸屏和PLC控制雙機器人完成協調搬運任務。詳細設計了雙機器人協調控制系統，并對機器人、PLC、觸摸屏進行了程序編輯；控制系統結構簡單、通俗易懂，控制程序條理清晰、可讀性強。通過仿真和實驗表明，該控制系統能夠實現雙機器人協調，系統運行穩定，可靠性高。該雙機器人協調控制系統可用于現場生產，降低工人的勞動強度，提高企業的生產效率。