四自由度绘图机器人的控制系统设计

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1、四自由度绘图机器人的控制系统设计0引言在丁业生产过程中，为了对加工零件的型号、尺寸等作以标识，需要专用绘图设备对其进行标记。本文针对这一生产需要，模拟工业现场环境，设计了可完成绘图、划线、切割等功能于一体的机器——简称绘图机器人。传感器技术、图像采集与识别技术、最优化技术以及路径规划算法等理论的发展，为绘图机器人的实现提供了技术与理论依据。曾在2006年中国围际工业博览会上，由ABB公司制造的绘图机器人“神笔马良”就吸引了很多人的关注。1机器人机械结构1．1机器人本体结构本文研究的机器人为实验室自主开发的四自由度机器人，采用PC机+触

2、摸屏+运动控制器构成的开放式控制系统，由一块运动控制器控制四轴的运动，可实现x、y、z方向的直线运动及C方向的回转运动。其结构图如图l所示，主要由x轴滚轮，l，轴手臂，z轴丝杠，c向同转驱动、电机驱动，导向立柱，同步带及底座组成，其技术参数和运动实现形式见表l、表2。根据完成功能的不同，选择相应执行装置通过装夹装置固定安装在Y轴手爪处。本文采用画笔。1．2机器人传感器模块传感器类似于人的五官，是机器人感知外部环境的直接手段。本设计采用的传感器包括：(1)接近开关：4个接近开关均选用AOTORO的FRl8-8DN，其有效测量距离为8ra

3、m，分别安装在l，轴手爪和Z轴导向立柱处，用于y轴左右、z轴上下限位。当金属检测体靠近开关的感应区域，开关迅速发出指令反馈给运动控制器，运动控制器接到反馈信号，发出控制信号，控制电机动作同时产生报警信号¨1。(2)超声波传感器：用于X轴行动过程中的避障，有效测距分为3个量程，分别是9m、3m和lm。当机器人在行驶中检测到前方有障碍物时，立即停止前进，原地等待并发出报警信号，直至障碍物消失再继续前进。(3)角度传感器：在绘制某些图形的过程中，需要画板与画笔之间有一角度，该传感器就是用于C向回转中角度的信号检测。2个角度传感器均采用国产的

4、TDR．BZ。A型磁敏感角度传感器，有效测量量程为0。一360。，分别安装在设定的旋转起点和需要角度的旋转终点。终点角度传感器将检测到的信号发送给控制器，控制器经过运算、判断，在到达所需角度位置处发出控制信号，旋转运动结束，机器人开始下一个动作。2机器人控制系统的硬件结构的搭建2．1机器人控制系统的硬件结构传统的机器人大多采用封闭或半封闭的结构，其功能主要根据使用者的要求来确定的，一旦工作任务发生了改变，机器人将变得毫无用途，造成了巨大的浪费。针对这一弊端，本文设计了基于PC机+人机交互+运动控制器的开放式系统，具有互操作性、可移植性

5、、可伸缩性、可互换性等优点‘4。。为提高系统的通用性，便于系统的扩展和移植，将控制系统分为4个部分，如图2所示。具体包括：机器人本体、运动控制器、人机交换以及遥控模块。(1)机器人本体：是系统的被控对象，包括步进电机、接近开关、超声波传感器以及机械结构。其中机械结构包括机器人的传动装置与末端执行机构等；接近开关、超声波传感器前面已做了详细介绍。(2)运动控制器：控制器的作用与人的小脑相似。它从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运

6、动轨迹目标的装置，与传统的控制装置相比，运动控制器具有：技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制；结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统；操作简单，在PC机上经简单编程即可实现运动控制，并且具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好等特点‘5引。本设计采用Trio(翠欧)公司生产的Eur0205x型运动控制器，具有以下功能¨1：1)编程：Eur0205x具有多重任务能力，可以将一个复杂任务分解为不同的程序，从而可以单独对每个程序进行开发、调试和运行，大大降低开发程序的难度

7、。2)I／O能力：Eur0205x本体具有16个内置的24V开关量输入口和8个内置的输出口。这些开关量可作为系统内部的逻辑交换变量，或者根据实际需要用于连接控制器的限位信号、原点信号及一些反馈信号。3)通信：Eur0205x有2个内置的RS-232串口和1个Rs485口，以及为其他通讯扩展而预留的1个TTL通道。通过1个外部适配器可以使这个，I-I'L端口与Trio光纤网络设备相连。4)轴的配置：Eur0205x总共可以控制4个轴，4个伺服或4个步进或者为2者的任意组合，而在软件上可以通过增加虚拟轴的方式增加到8个轴。任何没有实际硬件

8、接口的轴都可以作为虚拟轴使用。(3)人．机界面——触摸屏：本设计采用的人一机交互界面是由WeinView公司的eViewMT500系列触摸屏。它具有指示灯、开关、各种动态图表、数据显示、数据输入、异常报警、静态显示等功能