工業機器人隨動跟蹤控制系統的設計

江海天 沈治

摘 要：設計一套工業機器人隨動跟蹤控制系統，使得機器人的位置、速度等狀態變量跟蹤已知的理想軌跡，對研究機器人的運動控制系統具有比較好的指導意義，同時也能作為學生學習多軸隨動運動控制系統的教學載體。

關鍵詞：隨動跟蹤;工業機器人;人機界面;PLC控制

中圖分類號：TP311 ?文獻標識碼：A

? 該課題經過建立獨立的工作坐標系，通過以太網構成數據通信網絡，通過工業機器人來完成軌跡的計算和跟蹤，對研究機器人的運動控制系統具有比較好的指導意義。

1 系統模型

通過一臺伺服電機帶動目標盤轉動并在任意位置靜止，機器人通過吸盤將元件庫形元件至目標盤。盤中的方形元件搬運至目標盤的方形凹槽中;然后依次將庫中8個圓形元件搬運至目標盤的圓形凹槽中。目標盤以盡量高的速度勻速轉動，依次搬運1個方形元件和6個圓。

2 跟蹤原理

建立如圖1所示工件坐標系，當目標盤先轉動隨后在任意位置靜止時，機器人由通訊方式獲得坐標，放下方形原件之后通過公式：

PM.X=MR*Cos（Rad（M_00#+mp*45））（式1）

PM.Y=MR*Sin（Rad（M_00#+mp*45））（式2）

式1和2中PM.X為X軸坐標，PM.Y為Y軸坐標，MR 圓形工件中心到方形工件的距離，M_00#由通訊獲得的初始角度，mp*45放下一個圓形工件偏移45°。先在跟蹤起點處放下第一個圓形原件，機器人來依次放置其他圓形工件。當工件在檢測點的時候機器人記錄當前脈沖數，當工件移動到跟蹤起點的時候機器人也移動到跟蹤起點，機器人記錄當前位置并且記錄當前脈沖數，把機器人當前位置保存到等待位置和原點位置。當工件移動到跟蹤結束點的時候機器人也移動到跟蹤結束點，機器人記錄當前位置并且記錄當前脈沖數。當工件移動到停止點的時候機器人也移動到停止點，機器人記錄當前位置并且記錄當前脈沖數。初始化設置之后，目標盤以一定的速度勻速轉動，機器人直接從伺服放大器中讀取脈沖知道了電動機的速度，當這兩個條件同時滿足時，機器人才會進行跟蹤同步運動。

3 系統設計

PLC采用運動控制指令來控制伺服電機實現目標盤的不同速度的旋轉，同時目標盤的旋轉角度通過編碼器反饋給工業機器人，從而實現跟蹤定位功能后放置工作，通過人機界面能夠隨時更改目標盤的位置和旋轉速度，工業機器人需隨時調整跟蹤速度和精度。

4 硬件設計

工業機器人（含真空吸盤）及控制器、氣泵及真空發生器、PLC（含定位模塊或運動控制 CPU）、伺服放大器、伺服電動機、觸摸屏，交換機通信。PLC我們選用了三菱的FX5U-32MT晶體管輸出的PLC產生高速脈沖輸出，伺服驅動器采用是三菱的MR-J4-20A，工業機器人選用的是三菱的RV-4FL-D，觸摸屏選用的是三菱的GT2510-VTBA。

5 程序流程設計

系統上電后，需先建立PLC和機器人的通訊程序和目標盤的歸零初始化程序，然后搬運功能包括兩個要求，一是靜止模式，通過HMI設定好一定的目標盤的速度后，任意時刻提出停止要求，此時目標盤停止，機器人響應，依次將方形元件搬運至目標盤的方形凹槽中，然后依次將庫中的8個圓形元件搬運到目標盤的圓形凹槽中;二是隨動跟蹤模式，通過HMI設定好一定的目標盤的速度后，機器人響應，依次將方形、圓形元件搬運至目標盤的凹槽中，在搬運的過程中，如果目標盤的速度發生變化，機器人需立即跟蹤響應，繼續完成上述操作。

6 人機界面設計

在上位機的控制上我們采用嵌入式的觸摸屏來實現控制，如圖2所示，它主要設置了首頁畫面、手動控制畫面、自動控制畫面、PLC輸入監視畫面、PLC輸出監視畫面和錯誤復位畫面。下面以圖5自動控制畫面為例介紹畫面功能，首先實時建立源盤和目標盤的當前工件顯示，它能夠實時記錄將工件從源盤搬運至目標盤的狀態，而且能夠在界面上實時的更改旋轉的速度和角度并且進行顯示，可以完成隨機停放和隨動跟蹤放置工作的功能。

7 結語

本項目主要研究工業機器人在高速運動下的的隨動跟蹤性能，建立工件坐標系以得出機器人跟蹤算法，可以作為工業機器人集成運動控制系統研究的載體。樣機已經研制成功，并已在教學中得到廣范的應用。

參考文獻：

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[2]張日紅，朱立學，楊松夏，陳創豪，李燦森.基于運動跟蹤的工業機器人隨動控制[J].現代農業裝備，2018（10）.

[3]杜立彬，劉巖，侯廣利，孫繼昌.隨動式機器人測量技術研究與應用[J].機械與電子，2006（06）.

作者簡介：江海天（1995-），男，廣東揭陽人，學生，主要研究方向：電氣自動化;沈治（1977-），男，江蘇常州人，副教授，教師，主要研究方向：控制理論與控制工程。