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1、大伸臂重载装配机器人伸缩臂/机器人/加减速方案1引言 随着机器人技术的不断发展,航天、飞机、码头等领域的地面重载装配领域将成为机器人应用的广阔天地。在上述领域内工作具有以下的特点: 1)货柜外形尺寸大、重量重,需要消耗大量的人力。 2)货柜装卸工作完全依靠人力操作具有相当的难度以及不可靠性。 3)货柜装配过程为重复性劳动。 4)货柜在装配过程中受到舱内尺寸和内部空间的制约。 鉴于以上特点,开发大伸臂重载机器人[1]代替人去从事重载装配工作将有重要意义。目前,国内外已经认识到这点,开始研究大伸臂重载机器人并
2、开发出一些样机。美国的肯尼迪航天中心设计了一套机柜安装机器人,能够在不到一个小时的时间内,将机柜由移动转运车上拿起并且将之安装入位。这样一来大大节省了机柜的安装时间,从而保证按时完成节点。 根据实际装配的情况,本文提出了一种五自由度大伸臂重载机器人。该机器人由伸缩起重臂、基座以及末端执行机构组成。 其特点包括: 1)部分可实现自动化操作。 2)操作流程简单、智能。 3)可以一次安装两个象限的货柜,并且只需旋转一次舱体,就可安装四个象限的货柜。 4)可以减少操作人员对货柜的直接操作,减少了人为带来的不确
3、定性因素,从而提高了操作的安全性。在结构上采用模块化设计方法。模块化机器人具有研发成本低,结构和功能的扩展性强等优点,是当前机器人系统研发的一个趋势。 本文对上述大伸臂重载机器人进行基础研究,提出、分析和比较三种不同的伸缩臂加减速方案[2]。通过计算和比较三种方案的优劣。为解决伸缩起重臂在运动控制中的稳定性问题[3]提供了基本依据。2 系统机械结构 大伸臂重载机器人总体结构分为末端执行机构部分、伸缩臂部分、基座主体部分和综控部分四个子系统。在工作时,首先将机器人放置在合适的安装位置。然后将安装有货柜的移动转运车推到大伸臂机器人可以触及到的范围内,操作
4、大伸臂机器人与货柜对接,将货柜从移动转运车上拆下。之后机器人把货柜调整在合适的姿态和位置后,送入到舱体内。待到达指定位置后,将货柜安放入位。大伸臂机器人在静止时结构如图1所示。3控制系统 大伸臂重载装卸机器人的电气控制系统分为硬件和软件两大部分,该方案通过对电气控制硬件和软件的设计,使大伸臂重载装卸机器人完成满足技术要求的运动动作。3.1硬件部分 大伸臂重载装卸机器人硬件部分主要由运动控制器、伺服电机、视觉系统、数据采集卡、工控计算机、示教盒、综合控制台及各种控制柜等等部件组成,按照功能模块划分可分为运动控制模块、视频采集显示模块、数据采集模块、人机交
5、互模块四大部分。硬件结构如图2所示。 如图2所示,工控机与运动控制器、图像采集卡、数据采集卡进行实时通讯,主要完成人机交互、文件管理、视频实时显示、数据实时显示等功能。人机交互功能主要是应用VisualC++6.0编程软件结合微软的MFC类库实现其数控系统软件的功能开发。 运动控制模块由运动控制器、伺服电机驱动器和伺服电机组成。其中运动控制器选择PMAC八轴运动控制器,它是大伸臂重载装卸机器人控制系统的核心,主要完成对伺服电机的多轴协同运动控制和I/O点的功能规划,它主要以脉冲方式对机器人的8个轴伺服电机进行逻辑控制,同时接收编码器反馈的位置信息,形成
6、位置闭环,从而实现机器人准确定位,且各轴伺服电机工作于位置模式。PMAC八轴运动控制器是一种能脱机运行的运动控制器,它将基于Modbus协议通过RS232接口与工控计算机进行数据传输,并将电机运行状态和各轴位置数据实时反馈。同时PMAC具有强大的独立编程能力,应用自己独立的编程软件在PC机上进行运动控制程序的编写,并将程序下载到程序存储单元。通过将复杂的运动曲线和运动控制算法集成到控制器,减轻了工控机的负担,实现了程序的模块化设计,如此构造出一种模块化的、开放性的功能强大的控制系统。 视频采集显示模块包括摄像头和图像采集卡。摄像头安装在末端执行机构末端,方便用户实
7、时观察机器人的运动状态和周围的运动环境,以确定机柜连接点的位置,辅助机器人与机柜对接。图像采集卡通过PCI总线将采集的视频数据实时传输给上位机。 数据采集模块包括数据采集卡、位置传感器、力度传感器、编码器等。数据采集卡主要完成力度数据和位置数据的转换,并将转换后的数据反馈给上位机显示,帮助控制系统和用户分析决策。位置传感器和力度传感器安装在末端执行机构上,其中位移传感器用于检测末端执行机构与舱门等其他物体之间的距离,防止碰撞的发生,力度传感器一方面用来检测固定机柜螺栓的力度用以辅助拆卸末端
