基于快速搜索隨機樹的薄片元件拾取機械手電控系統設計*

鄭水林，李守軍※，王志銘

（1. 宿遷學院機電工程學院， 江蘇宿遷 223800；2. 中國礦業大學信息與控制工程學院， 江蘇徐州 221116）

0 引言

以散列薄片狀微型元件為基礎的構件裝配，受制于散列元件的拾取精度和拾取效率，難以匹配末端產品對基礎構件的時效需求[1]。為解決這種困難，宿遷學院互聯網+創新團隊研制了基于振動送料盤的散列元件拾取裝置，其震動能量驅動散列薄片元件沿螺旋軌道順序排列并推擠前進，后經位于軌道末端的傳感器感知并由PLC 啟動機械手夾取微型薄片元件。其次，機械手路徑規劃是系統高效運轉的必要條件[2-3]，如何選擇合適的方法確定機械手不同自由度下關節的運動軌跡，對于優化電控系統軟件設計具有重要指導意義[4]。

本文將從協調送料取料動作次序，保障送件取件時空的有效配合，提高機械手對薄片狀散列微型元件拾取的快速性和準確性等層面出發，研究路徑規劃實施思路、電控系統設計方案、機械手控制工藝及基于其的軟件設計方法。

1 微型薄片元件拾取機電裝置

拾取裝置包括振動送料盤和五自由度機械手兩個組成部分，如圖1所示。振動送料盤裝置是為提高薄片元件拾取效率所研發的關鍵設備。振動送料盤設計有螺旋形軌道，微型薄片元件在震動能量的驅動下沿軌道螺旋上升，散列元件在軌道中順序排隊并推擠前進直到軌道末端，然后振動盤停止振動，等待機械手取件。取件機械手部分包括金手指、手臂、手腕、X軸平移氣缸、Y軸伸縮氣缸、 擺臂氣缸、直角坐標標尺和導向構件等。

圖1 微型薄片元件拾取機電裝置主體

上述兩個組成部分通過光電開關接口進行信號耦合，即圖中的對射式光電接近開關。當振動送料盤中的微型薄片元件到達取料位置時，接近開關的檢測信號將啟動機械手完成元件的拾取動作。

2 拾取系統電控系統設計

在對微型薄片元件機械手機電設備結構分析與控制工藝分析的基礎上，研究電控系統的設計方法。將可靠高效作為設計總的指導原則，并將易于升級優化作為設計方向[5]。

微型薄片狀元件機械手拾取系統的控制部基于PLC 實現。在進行電控系統設計時，以便于升級擴展為原則選擇合適的元器件，搭建工業以太網總線網絡，完成系統原理圖設計，如圖2所示。所用工具軟件主要包括MicroWin Step7編程軟件，MCGSE 嵌入式組態軟件。主要硬件設備如下。

圖2 拾取系統電控原理

（1）PLC：西門子S7-200 CPU226CN，24DI/16DO。

（2）觸摸屏：深圳昆侖通態MCGS 6061Ti，24 V。

（3）RS-485 IEEE 802.11a/b/g/n 無線設備聯網服務器：MOXA NPort IAW5000 A。

（4）正弦波矢量控制器：用于振動盤控制。

（5）歐姆龍繼電器：用于控制電磁閥的通斷電。

（6）振動盤控制器：振動幅度可調的全波/半波，220 V交流供電。

（7）2 位5 通電磁閥組：天啟氣動XINDE DC 24 V，用于控制機械手關節的伸縮、旋轉動作。

（8）光電開關：歐姆龍對射式接近開關，檢測距離可調（0～1.5 m）。

本設計主要包括以下3個特點。

（1）采用串口服務器實現跨協議組網。RS458 和工業以太網是兩種不同的網絡協議，通過MOXA NPort IAW5000A RS485 可以配置達6 個串口I/O 服務器，連接串口和以太網設備至IEEE 802.11 a/b/g/n網絡。

（2）精簡了機械手自由度數量。為提高機械手拾取效率，研究了基于RRT（Rapid Random Tree）避障算法的可視化分析與測量方法，通過減少無關氣缸運動達到精簡自由度的目的。下文將給出基于RRT算法的路徑規劃實現。

（3）方便與上下游設備通信連接。微型薄片元件機械手拾取裝置是生產線的一個組成部分，為實現整個系統的信息共享，本文給出了以太網的組網方式，方便設備之間通信連接。

3 軌跡規劃與軟件設計

微型薄片狀元件拾取機電裝置具有多個自由度，其包含多個氣缸，具有多種運動形態。雖然機械手拾件過程具有多種可能路徑，但考慮到機械手的運動避障問題[6]，本設計基于成熟的快速搜索隨機樹避障算法給出一種軌跡的逆向求解方法[7]。

3.1 基于RRT算法的機械手運動路徑規劃

在眾多的路徑規劃算法中，快速搜索隨機樹（RRT）算法是一種較為高效的隨機搜索算法[8]，自從提出以來，深受廣大科研人員的青睞。為描述RRT 算法避障算法，需要給出算法中用到的變量：SampleFree 表示互不干涉均勻分布的樣本；ObstaleFree（xs，xe）用于判斷起始位置xs和終點位置xe所生成的路徑有沒有實現避障，有則返返回1，否則返回0；Steer（xs，se）表示以一定步長從起始位置xs往終點位置xe方向搜索，搜索到新點xnew；Nearest（V，x）獲得路徑集合V中距離路徑點x最近的一個點v。則基于隨機樹方法的機械手運動路徑規劃流程如圖3所示。

圖3 拾取系統電控原理

RRT算法中，路徑點位置為：

式中：ρ1為隨機點擴展的步長；ρ2為目標點擴展的步長。

采用RRT 避障算法，基 于 MATLAB Robotic Toolbox建立機械手運動學模型，將傳送帶作為障礙物，給定機械手起點和終點位置p0和pd，進行仿真得到圖4 所示結果，給出多種可行的路徑，從中選擇路徑最短的路徑作為最優路徑。

圖4 拾取系統機械手避障路徑

對于手臂5 個自由度的路徑變化，得到不同避障情況下的路徑點。其中，圖5所示為機械手的大臂（提升臂）、小臂（擺臂）、手腕等3個關節在傳送帶障礙物下的運動路徑圖。通過理論分析與實際測量的路徑幾乎完全一致，說明采用RRT避障算法是可行的，在障礙物位置確定的情況下，可以取得較理想的規劃效率，用以指導控制系統PLC軟件設計。

圖5 拾取系統機械手3關節位置

3.2 微型薄片狀元件機械手拾取控制工藝

由第3.1 節中的機械手避障問題分析，可以通過合理的機械手的位置安裝，精簡掉部分自由度，使機械手通過盡可能少的關節動作完成元件的拾取過程，其控制工藝如圖6 所示。

圖6 拾取系統機械手3關節位置

（1）振動盤控制策略：根據過程控制的要求，設置振動時間（周期）、振動時間間隔；通過正弦波矢量控制器對振動盤施加激勵信號；并根據螺旋軌道末端薄片狀元件的有無來控制振動的啟動或停止。

（2）遠程過程控制：基于西門子PLC 電控制系統的遠程自動化控制，根據機械手避障路徑設計各個關節的運動序列：抓料、提升、旋轉、伸出、放件、縮回等過程的自動化控制流程。

（3）本地手動控制：對各個動作分解操作，對振動盤的啟動/停止、手抓的夾緊/松開、手臂的伸出/縮回、手臂的順/逆時針旋轉、金手指的松開/夾緊等動作進行獨立控制。在系統調試過程中，本地手動控制是必不可少的，在檢測每個自由度的可及范圍方面也是必要的。

3.3 軟件設計

3.3.1 I/O變量分配表

確定信號的I/O 地址，對I/O 端子進行地址分配是PLC 編程及監控軟件設計的關鍵步驟。根據電控原理圖列寫I/O分配表，如表1所示。

表1 設備與PLC之間的I/O分配表

3.3.2 MCGS觸摸屏監控軟件

觸摸屏設備與PLC 通道連接是MCGS 組態軟件配置的關鍵[9-10]。通過串口連接PLC 的COM1 與觸摸屏的通信串口，最小采樣周期100 ms，通訊等待時間500 ms。串口通訊波特率9600，數據位8，停止位1，偶校驗。

在開發過程中，需要建立實時數據庫，進行硬件設備組態與通道連接調試，包括通信調試和I/O 信號連接調試。然后，建立實時數據庫與通道之間的讀寫關聯，完成觸摸屏與PLC之間的雙向通信連接。開發的軟件主界面如圖7所示，包括元件計數、狀態監控、參數設置、報警查詢、手動/自動控制等主要功能。

圖7 MCGS觸摸屏監控軟件

4 結束語

（1）綜合了PLC、繼電器、電磁閥等控制與執行元件實現對各機械手臂與振動給料盤的協調控制，并通過運動軌跡研究和路徑優化方法實現了機械手的高效控制。

（2）給出了電控系統的硬件設計、軌跡規劃、控制器選型及其端口定義。研究了基于RRT 避障算法的可視化分析方法，提出一種可行的路徑規劃實施方案。

（3）軟件設計過程中充分考慮了精簡自由度后的機械手拾取工藝，定義出PLC編程與監控軟件設計所需要的I/O分配表，并通過嵌入式MCGS 組態軟件完成了觸摸屏監控軟件的開發。