基于PLC的智能搬運機器人控制系統設計

李靜如

（江蘇省東海中等專業學校，江蘇 連云港 222300）

在各個領域的生產活動過程中物料搬運都是必不可少的，這項工作長期存在，具有較強的重復性，企業需求量比較大[1-3]。怎樣才能在縮減人手的同時提高搬運效率，這一問題逐漸引起了相關企業的高度重視，而工業搬運機器人的誕生就是對這一問題的有力回應[4-5]。搬運機器人可以在生產中降低勞動力成本，提高生產效率，實現企業經濟效益的提升[6-8]。本文利用PLC技術實現了工業搬運機器人智能控制系統設計，該系統經過長期實測，不僅運行平穩、可靠性高，操作也十分簡便，為相關的技術研究提供了借鑒。

1 工業搬運機器人機械結構及運動學分析

當前，工業搬運機器人已經在工業領域的眾多企業中得到了運用，尤其是在生產流水線、庫房之中，由于搬運物品類型眾多，具體場景也有所不同，需要重點關注機器人在運行中如何規避化學原料、油污等的不良影響，確保其始終都能處于有序運行之中[9]。通常情況下，工業搬運機器人并非獨自運行，還需要其他電氣設備的配合與輔助，這就需要考慮增強不同類型電氣設備的抗干擾與電磁兼容能力[10]。

工業搬運機器人應用場景較多，為了更好地適應外界環境，需要具備良好的外部檢測功能。在工作實踐中，搬運機器人要把來自生產線中的貨物整齊地碼放于托盤中，要及時獲取與來料位置有關的數據信息，也要動態化監測整個搬運過程及堆垛區域接料裝置的運行情況，不得有任何工作人員進入操作空間之中，需要考慮到與之相關的安全生產問題。因此，機器人在運行中需要實時監測整個工作空間，一旦遇到突發狀況需要及時發出警報并進行有效處理。

1.1 機器人機械原理

1.1.1 工業搬運機器人機械結構

對當前的機器人結構進行深入分析與探究，結合實際生產需求，從機械動力學視角出發對工業搬運機器人的機械結構進行研究。實際上，此類機器人的主體部分與平衡吊的機械結構具有較強的相似性，主要是靠手臂部分的平行四連桿機構實現運動功能，這一結構不僅能穩定地傳遞運動，也能對運動位移起到放大的作用，還可以根據具體情況轉變位移。此類機構是閉環機構，其機械剛度及牢固性與開環機構相比更高。

1.1.2 傳動結構

為了讓機器人能順利完成搬運動作，確保其能在水平方向靈活運轉，設計了具有四個自由度的機械結構。把平行四連桿機構運用于手臂部分，可以對末端執行器起到推動作用，使其靈活地在豎直方向進行移動。與此同時，末端執行器也會受到水平方向絲杠副的作用，可以在水平面上自如地發生移動。這種類型的機械結構設計，可以避免機器人在運行中出現大量反解計算，預防無解、多解的現象產生。在為工業搬運機器人設計機械結構時，把限位開關運用于所有關節之中，如果機器人在運行中出現故障，不能按提前設定的程序運轉，限位開關能對其起到保護作用，避免發生嚴重破損，同時也能保障操作者的生命安全。

1.2 機械參數設計研究

機器人的作業空間實際上就是末端執行器在三維空間中可移動的所有位置點的總和。靈活作業空間就是機器人能以多樣化的姿態移動且能到達的工作空間。在設計機器人控制系統時，要充分意識到作業空間參數的重要性，機器人的本體只能在特定的作業區域中開展工作。機器人每執行完一個指令之后，都要反復進行測量與對比，得到準確的誤差值即為重復定位精度。搬運機器人的作業空間如圖1所示。

圖1 作業空間示意圖

1.3 作業空間分析

機器人手臂不可能無限延伸，其活動區域是有限的，在使用之前要準確地把握住其作業空間范圍，精準設定物料起點與終點。搬運機器人做出的每一個動作都是按比例進行的，其末端執行器速率與位置的調整，需要從水平與豎直兩個方向對伺服電機的軸系進行操控。機器人末端執行器在垂直方向的移動距離最大能達到垂直軸系移動距離的5倍，在水平方向的移動距離，最多能達到水平軸系移動距離的6倍。這是因為機器人本體在轉動中，一直以底座中心為圓心，由此形成了圓柱環式的作業空間。

2 搬運過程分析及軌跡規劃

在機器人設計之中，底層設計必須科學合理，軌跡規劃是重要內容之一。要考慮到搬運機器人的作業環境與任務，對其移動軌跡進行規劃，準確地描述其移動路徑，對每一個關節移動的位置、速度等進行計算，由此獲得移動軌跡。

在設計搬運機器人的運動軌跡時，最常用的就是關節空間設計法，在關節空間之中設計軌跡，要為末端執行器的起點與終點設定位姿，在此基礎上以插值的方式對關節坐標實施處理，繼而對關節移動軌跡進行描述。需要關注的是，關節軌跡會受到部分條件的約束，應在符合這些條件的前提下，選擇合適的關節插值曲線函數，由此獲得多套移動軌跡設計方案。

為搬運機器人設計運動軌跡并進行計算，不需要使用過于復雜的計算方法，在這一環節不至于耗費過多的精力。從目前機器人領域的發展情況看，如果在設計中遇到關節變量加速度發生突變的情況，就會形成強烈的剛性沖擊，機器人在啟、停時，末端執行器就會發生抖動現象。為了解決這一問題，部分設計者嘗試把多項式插值運用于機器人軌跡設計之中，采取這種方式之后，盡管機器人在工作中的角度、角速度等關鍵變量的連貫性得以增強，但在起點與終點處的加速度連貫性卻得不到保證。分析機器人的作業特征，參照各插值軌跡的具體特征，把機器人在啟、停兩個時間節點的加速度突變予以消除，增強其移動的穩定性。可見，在設計機器人運動軌跡時，這是一種較為有效的計算方法。當搬運機器人的自由度達到了3以上，運行參數結果并不唯一，計算過程復雜且難度較高，由于搬運機器人在作業中需要頻繁“取-放”，這里運用了“4-3-4”三段軌跡法設計。

對工業搬運機器人設定了“4-3-4”的軌跡，具體搬運流程如圖2所示。

圖2 搬運作業流程圖

“4-3-4”軌跡規劃法的運用，不僅把計算量控制在合理范圍之內，增強了運動軌跡的平滑性，同時有效避免了突變現象的出現。

3 運動控制系統設計

3.1 總體設計

PLC是智能搬運機器人運動控制系統的核心，該控制系統結構如圖3所示。終端操作設備采用了觸摸屏，借助于觸摸屏讀取或寫入指令，對整個系統的運行情況進行監控。整個PLC系統由F3PU10-0S提供電源，通信模塊采用了以太網接口，型號為F3LE11-0T，與外部設備之間有良好的通信往來。

由圖3可知，PLC在對所有的軸伺服驅動器進行控制時采用的是運動控制模塊，不僅帶動了機器人抓手、手臂、底座的運動，而且能根據具體情況使其在水平與垂直兩個平面運動。在對電機軸限位進行檢測時，需要運用數字量輸入模塊，也可以借助于這一模塊輸入外部信號，對電磁閥進行控制，把信號輸送給外部裝備。

圖3 智能搬運機器人控制系統結構

3.2 機器人原點回歸程序設計

3.2.1 原點回歸的原理

在機器人的工作空間中，坐標系初始位置即為原點，當四個工作軸都處于極限位置時，則可以找到基準點，末端執行器在運轉之中把物料送至指定地點之后需要終止移動操作，這就是停放點。在搬運物料過程中，機器人如果遇到了突發事件或受到了外部事物的干擾，則會發生作業終止的情況，這時排除故障后要重新返回原點，確保正常的搬運作業繼續開展。為了產生這樣的控制效果，需要機器人的每一個關節都具備原點回歸的功能，且保證精準性。原點回歸可分三步：一是運動控制系統消除故障后，末端執行器要由停放點回歸基準點；二是末端執行器由基準點到工作空間坐標系原點之間的移動；三是對PLC中的所有電機軸位置數據進行清零處理，為機器人重新完成搬運任務做好準備。

3.2.2 原點回歸的過程

本文運用的原點回歸功能是在自動模式下進行的，由圖4可知，原點回歸時先要把四個電機軸的JOG運轉調整到同一個時間段中，當每個軸碰觸到限位塊的一剎那，及時對位置數據進行精準記錄，所有電機在這一刻都要停止運轉，基準點即為這一時刻機器人末端執行器的位置。在此之后，每個電機軸都沿著反方向開展直線插補運動，由于基準點至原點之間的距離保持不變，直線插補指令位移數據也保持不變，可以運用PLC程序反運算求出。到達原點后，要對PLC的位置數據進行清零處理。這種方法最合理之處，就是機器人由基準點移動至原點的過程中只需要按PLC程序設定軌跡，不需要多次對編碼器進行讀取，原點回歸遲滯問題得到了妥善解決，原點回歸的精確度、速度由此提高。

圖4 新的原點回歸流程圖

4 結語

隨著工業技術的發展，機器人技術已在各領域得到一定應用。智能搬運機器人是現代化制造企業中的重要設備，研發制造高速、可靠、節能的智能搬運機器人，具有重要的學術價值與廣闊的市場前景。本文設計的搬運機器人輕便小巧，且控制系統功能多樣、運行穩定，在搬運過程中能代替人工進行分揀、裝卸工作，有效降低了人力成本，提高了物料搬運效率。