机器人搬运单元（共7篇）
机器人搬运单元 篇1
摘要：以机器人搬运单元系统为例, 利用步进驱动器作为驱动, 采用PLC控制, 结合触摸屏技术, 实现可行走的四自由度机器人, 完成工件由上料位、加工位、装配位/烘烤位等位置的搬运工作。本文着重分析了控制系统的结构、工作过程和PLC梯形图控制及触摸屏人机界面设计。
关键词：机器人搬运单元,PLC,触摸屏
PLC (可编程控制器) 是以微处理器为核心, 集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体的工业控制器, 已成为工业自动化三大支柱之一。通过运用PLC控制步进电机的脉冲信号, 控制驱动器的信号的分配与放大, 驱动步进电机, 实现机械手的搬运、装配、切割等工作。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响, 即给电机加一个脉冲信号, 电机则转过一个步距角。利用这个线性关系, 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点, 在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。目前基于PLC和步进电机而实现具有各种特定功能的机器人系统已在工业和农业生产中得到了广泛的应用。如应用于对高架立体仓库的货物运送、用于流水生产线中的物品搬运及上下物料、农业生产中对农作物的抓取与传送等。本设计在工作过程中, 需要进行精确的定位处理, 所以需要采用定位模块。定位模块FX2N—1PG是三菱PLC功能模块之一, 可单轴控制, 脉冲输出最大可达100KB/s。针对定位控制的特点, 该模块具有完善的控制参数设定, 如定位目标跟踪、运行速度、爬行速度、加减速时间等。这些参数都可通过PLC的FROM/TO指令设定。除高速响应输出外, 还有常用的输入控制, 如正反限位开关、STOP、DOG (回参考点开关信号) 、PG0 (参考点信号) 等。此外, 还内置了许多软控制位, 如返回原点、向前、向后等。
本设计以机器人搬运单元系统, 步进驱动器采用两相四拍的驱动形式, 采用三菱FX2N-48MTPLC配以扩展FX2N-1PG定位模块, 结合触摸屏技术, 实现可行走的四自由度机器人, 完成工件由上料位、加工位、装配位/烘烤位及仓储位等位置的搬运工作。
1 机器人搬运单元系统的基本结构及工作过程
1.1 基本结构
机器人搬运单元系统由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。机器人搬运单元系统结构组成:直线导轨、同步带、同步轮、机器人底座、机器人主体、传感器安装板、抓手气缸、旋转气缸。电气元件:步进电机、直流电机、电磁阀及气动元件、电容传感器、微动开关。
1.2 机器人搬运单元工作过程
机器人执行单元中包含两个步进电机, 分别控制机器人的手臂旋转和机器人直线行走。手臂旋转电机用PLC输出端的Y0做高速输出控制, 直行电机用PLC的扩展功能模块FX2N-1PG进行控制, 机械人搬运系统的结构示意图如图1。
当原材料到达取料点时, 机械手系统开始工作:旋转步进电机控制机械手向下运动, 同时另一路步进电动机控制横轴开始向前运动。步进电机驱动机械手旋转到达正好抓住原料的方位处, 然后, 机械手抓住材料。步进电机驱动转盘机构上升。另一个步进电机驱动横轴开始向前走。转到材料加工处, 步进电机再次驱动纵轴下降。到达位置后, 机械手松开材料, 加工完毕后, 又夹住加工完成的材料送到入仓点, 机器人动作流程如图2。
机器人要完成一个工作过程要经过上升、左移、下降、抓紧、上升、右移动、下降、放松的过程, 其中, 抓紧、放松工序需要延时一定的时间。此控制系统通过触摸屏进行控制, 分为自动与手动部分。按下触摸屏的自动按钮, 进入自动控制状态。按下启动按钮, 首先, 摆动气缸、翻转气缸复位, 并且手抓松开, 机器人回原点, 然后定位到400mm处, 最后定位到300mm。按下手动触摸键进入手动操作界面, 按下启动按钮, 机器人进入手动控制工作状态。此时通过触摸键控制机器人正反转30度及左、右移动, 还可以实现摆动气缸的上、下摆动及机器手的取放物料, 无论是自动, 还是手动, 按下停止按钮, 程序都会停在相应的工序。
2 PLC控制系统设计
2.1 PLC的选择和I/0地址分配
机器人的工作状态和操作信息需要10个输入端子。具体分配为:启动、停止按钮, 步进旋转原点传感器, 摆动气缸上、下摆限位传感器, 抓手电机左、右转传感器、步进直行、原点、限位传感器。
控制机器人输出信号需要6个输出端子。具体分配为:脉冲输出, 方向脉冲输出, 摆动气缸下摆电磁阀、机器人手抓气缸电磁阀, 抓手电机左、右转继电器。
根据控制要求及端子数, 此处选用FX2N-48MT晶体管型PLC, FX2N-48M T的I/O地址分配见表1。FX2N-1PG、步进驱动器、步进电机的接线图如图3。
2.2 控制程序设计
操作系统包括手动单步操作程序和自动连续操作程序, 部分梯形图如图4。
2.3 触摸屏设计
触摸屏的人机交互界面, 共设计了4个界面, 分别为欢迎界面, 自动或手动选择界面, 自动操作界面及手动操作界面, 触摸屏界面设计如图5。
2.4 软件调试
打开FXGPWIN编程软件或GXDeveloper编程软件先在软件中输入程序把PLC与计算机连接好, 进行通信, 待通信成功后, 即可打开程序进行在线调试。
3 小结
工业机器人能够按照预定的程序、轨迹及其他要求实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置, 是具有发展前途的机电一体化典型产品, 将在实现柔性自动化生产、代替人在恶劣环境条件下工作发挥重要作用。本文采用触摸屏作为输入端, 利用PLC控制步进电机的方法实现了机器人搬运单元控制系统。该系统有设计方法上简单易行, 可靠性高。由于采用了PLC控制步进电机技术, 所以改变控制参数相当方便, 只需改变PLC部分的程序。PLC控制步进电机的控制系统不仅减少控制系统设计的工作量, 大大缩短开发研制周期和节约了开发费用, 而且保证了机械手在工作时的安全与准确。由于本机器人搬运单元具有用途广泛、结构紧凑、控制准确安全等优点, 能实现一机多用, 具有较高的推广和实用价值。
参考文献
[1]成季刚, 王晓年, 朱劲.机器手高架立体仓库改造[J].计算机与现代化, 2010.
[2]李勇成.基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用[J].科技信息, 2008.
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[4]伊洪良.SX-815L机电一体化综合实训考核设备使用说明说V2.0.
自动搬运机器人 篇2
木块运送到达库房时, 应能堆放到库房档板20cm线以内;如果不能全部运入库房, 记录木块距离20cm线的最大距离, 根据此距离将分档扣分。用秒表记录整个搬运时间。
发挥部分:自动记录、显示每一次往返的时间 (记录显示装置要求安装在机器人上) 和总的行驶时间。
木块运送到达终点库房时, 应能够整齐排列堆放到库房挡板10cm线以内, 3个木块的左右边线应尽量对齐, 记录偏差尺寸。
一、系统设计
1.主控制器及行进电机控制电路的设计
由于设计系统中所需采集的数据数量较少, 因此采用STC89C52单片机作为主控制器的芯片。电机控制电路主要采用L298N驱动芯片。工作中, 将单片机四个输入输出I/O口提供的信号送到L298N的控制端, 改变控制信号的占空比和极性就能实现控制小车的速度和方向。电路如图1所示。
2.感知部分的设计
设计系统中, 车身上安装的7个红外避障传感器 (车身右侧中下部安装一个, 中上部两侧各安装一个, 车头前面安装两个, 车头左右各安装一个) 和机械手上安装的一个RPR220光电对管组成感知部分 (见图2) 。
3.机械手电路的设计
为使机械手抓取木块动作准确、可靠, 在机械手设计中选用了三台电机, 其中两个步进电机分别控制机械手指左右张角和机械手抬起, 舵机控制机械手左右偏移角度。当抓取木块时, 首先机械手张角缩小使其抓住木块, 再由另一个步进电机控制机械手将木块抬起。当机器人进入仓库放下木块时, 舵机将控制木块的左右摆放顺序。
工作中, 利用两个ULN2003驱动芯片分别为两个步进电机提供驱动电流。主控制器单片机需为ULN2003驱动端提供频率和方向不同的脉冲信号, 实现控制步进电机的转速和转向。舵机的控制不需要专用驱动芯片, 只需单片机给其信号即可实现控制。电路如图3。
二、工作原理
在位置1处, 小车 (机器人) 开始倒车行进。如果没有探测到木块则从位置1向位置2方向不断运动, 一旦右侧传感器探测到木块即小车到达位置2, 小车将右转直至车体前面两个传感器同时探测到木块, 证明小车左右正对准木块, 小车前进。当机械手臂抓取部分传感器探测到木块经控制器单片机数据处理、判断前后正对准木块时停车, 并抓取木块,
然后左转一定角度后前进。当小车右侧寻仓库传感器探测到仓库即小车到达位置1和3之间时, 小车右转一定角度后, 通过小车左右两端的传感器检测, 控制器单片机数据处理、判断保证小车沿直线进入仓库, 当车前面的两个传感器探测到车库两侧的墙时停车, 卸下木块, 再倒车返回位置1附近后重复上述动作, 再将另外两个木块运送进仓库。实物图见题图。
三、软件设计
依据任务要求, 编制系统的工作程序流程图 (见图5) , 程序利用C语言编写实现。
四、系统测试
1.测试仪器
秒表、梯形尺、三角尺等。
2.测试方法
当小车开始运动时计时, 每运完一只木块记录一次时间, 最后累计三只木块搬运时间和。最后, 和小车上液晶显示的单次和总时间进行对比, 并用梯形尺和三角尺测量木块最后点距离十厘米库区线的距离, 即判断木块是否完全进入十厘米库区内。
3.测试数据
测试结果表明 (见表1) , 小车不但完成了基本任务, 还达到了发挥部分的要求。
4.误差分析
木块搬运进入库区程度和小车行进时间有所不同, 究其原因是小车有时并不能完全直线行走, 略微有点跑偏, 导致小车行走路线并不完全一致, 当探测到木块或者仓库时, 纠正方向的时间和进库的角度都略微有一定变化, 经分析小车跑偏原因可能有三个:
1) 小车的两个轮子的齿轮磨合程度有差异, 车轮外径有误差, 导致直线运动时两轮的线速度有差异。
2) 因为小车上装置比较多, 重心不在中心, 两个轮子负载不同, 导致小车跑偏。
3) 由于小车测试时震动颠簸, 各个连接线接口瞬间接触不良导致两个驱动电机供电不同。
五、设计总结
本作品以STC89C52单片机为核心部件, 以各个功能部分的传感器的反馈信号为依据, 配合一套完整的程序, 实现了小车对木块和车库的精确定位, 进而实现将木块搬运进库。在设计中我们尽量采用低功耗器件, 力求硬件电路的经济性和精简性, 充分发挥软件控制灵活方便的特点, 来满足设计要求, 并最终完成任务要求。
德马智能搬运机器人系列产品发布 篇3
10月29日,德马集团旗下又一高技术新产品“智能全向搬运机器人”在CeMAT Asia 2015展会上隆重发布。
据介绍,此款新产品是在普通移动机器人技术基础上投资研发投入的最新成果,是基于对动力学分析、运动合成技术、驱动控制技术等方面的深入研究,结合先进的德国技术,成功开发的国内领先的全向移动智能机器人。通过独创的运动机构和控制技术,实现了“四向导航”和“全向移动”这两项先进的新功能。它以灵巧、可靠为设计理念,可在保证搭载货物姿态不变的情况下,进行任意方向的自由运行,最大程度地适应密集生产线及库房的货物运输需求。
智能搬运机器人的研究与设计 篇4
如今, 随着经济的不断发展, 人们生活水平不断提高, 仓库存储、物流运输等领域的转移和运输压力愈发严重。目前仓库对大型物品的转移和存储、物流运输中转站处物品的转运等工作都是由人直接操作运载器械或直接搬运为主。人工直接操作的好处在于能降低仓库和中转站初期投入成本, 但随着人们对物流速度要求的提高, 单纯使用叉车和人工搬运的效率低下、学习成本高, 且存在诸多安全隐患。
1 车体机械结构设计
车体主体采用合金与工程塑料制成, 俯视成矩形状, 左右各两个轮子, 每个轮子用一个独立电机驱动, 总共四个轮子四个电机。车体机械装配图如图一所示。
2 系统总体构成
本系统设计采用C8051F340单片机作为控制模块的核心。驱动模块控制直流电机驱动小车运动。报警系统由信号灯和蜂鸣器组成。其他各功能模块有视觉识别模块、人体识别模块、边界检测模块、视觉辅助模块。通过综合各个传感器回传的简单数字信号, 优化算法, 最终达到主动对人体识别并跟踪的目的。系统结构框图如图二所示。
3 系统硬件组成
3.1 单片机选型
设计选用之单片机需要具备如下性能或功能要求: (1) 输出两路PWM波, 以驱动直流电机; (2) 提供两路计数器, 以采集霍尔码盘输出的脉冲信号, 用于PID调节; (3) 提供一路A/D转换, 多路通道, 用于线性CCD采集道路信息; (4) 提供多路外部中断, 以捕捉超声波回响高电平上升沿; (5) 提供一路定时器, 以采集超声波回响时间; (6) 提供多个I/O端口, 以驱信号灯、蜂鸣器等, 采集开关量输入。通过对系统需求的分析, 最终选用Silicon Lab公司生产的C8051F340作为处理器芯片。
3.2 视觉识别模块
视觉识别模块包含图像传感器和热释电红外线传感器, 安装在跟随车中部靠前处, 用于识别前方的物体是否为人, 若前方有人, 则热释电红外线传感器有相应信息反馈, 此时打开图像传感器, 检测是否为需要跟随的对象, 若是, 则开始进行跟随。
3.3 人体识别模块
人体识别模块包含2个热释电红外线传感器, 分别对称垂直安装在跟随车靠前的两侧, 形成两个120°搜索扇面。当视觉识别模块以及边界检测模块均不能检测到被跟随对象时, 将打开人体识别模块, 热释电红外线传感器将大致确认人体处于跟随车的左侧还是右侧, 并反馈给控制模块以作出对应转向动作。
3.4 边界检测模块
边界检测模块包含超声波测距模块, 超声波的扫描平面的垂线与识别系统载板的中轴线成40°锐角。所述超声波模块对称安装于车头两侧, 在视觉辅助模块和人体识别模块之间。在正常情况下, 超声波测距模块在设定的检测距离内不会有信号出现, 当被跟随对象在行走过程中出现左拐或者右拐动作时, 超声波测距模块则会检测到相应信号, 并调整跟随车姿态, 始终保持视觉识别模块正对被跟随对象。
3.5 视觉辅助模块
视觉辅助模块包含红外测距传感器及接近开关, 设置在跟随车的前方正中央。当跟随车处于跟随状态时, 红外测距传感器将每0.5秒对车与人的距离进行采样, 通过算法计算出人行走的速度, 并以合适的速度跟随对象, 若计算得到速度为负数, 说明对象正在后退, 则跟随车会进行后退动作。若被跟随对象处于比较复杂的地形时, 为防止跟随车与物品相撞导致损坏, 接近开关一旦检测到物体, 则立即停止, 等待物体移除后重新进行跟随。
3.6 控制模块
控制模块安装于车身后部, 包含主控芯片、无线接收器和报警器。主控芯片负责处理视觉识别模块的图像信息以及各个传感器的反馈信息, 并控制驱动模块对跟随车的速度及姿态进行调整;无线接收器用于接收无线遥控器的信息, 可实现对跟随车的遥控。部分控制电路如图三所示。
4 系统软件组成
系统主程序流程图如图四所示。开启视觉识别模块后, 将立即打开热释电红外线传感器, 检测相应信息反馈, 并打开图像传感器, 检测并回传图像至主控芯片进行处理。通过热释电红外线传感器反馈的电平高低判断是否为人, 并通过图像判断是否为被跟随对象。若视觉识别模块及边界检测模块没有信号反馈, 说明跟随信号丢失, 此时将打开人体识别模块。人体识别模块能大致确定人体的位置, 若人体识别模块也没有检测到人体信号, 则说明跟随信号完全丢失。当跟随信号完全丢失, 则触发报警功能, 提醒还在附近的人, 同时打开无线接收模块, 接受被跟随对象的控制, 调整姿态以重新进行跟随任务。人体识别模块能反馈人体信号的大致方向, 则控制模块将控制跟随车进行转向。在跟随车进行姿态调整时, 边界检测模块被打开, 并开始不断的进行检测。边界检测模块检测到有信号, 控制模块将控制跟随车进行对应方向的转向。若边界检测模块检测到有信号, 则说明被跟随者进入到调整区域, 若未检测到信号, 说明调整已经完成。完成调整后, 将立即开启视觉辅助模块。开启视觉辅助模块后, 红外测距传感器将每0.5秒对车与人的距离进行采样, 通过算法计算出人行走的速度, 并以合适的速度跟随对象前进, 若计算得到速度为负数, 说明对象正在后退, 则跟随车会进行后退动作。若被跟随对象处于比较复杂的地形时, 为防止跟随车与物品相撞导致损坏, 接近开关一旦检测到物体, 则立即停止, 等待物体移除后重新进行跟随。
5 结束语
本文设计的智能搬运机器人, 是一个可以进行延伸扩展的模型, 可以作为一个平台, 基于其自主跟随的功能, 通过安装不同组件, 实现在智能搬运、人工助力、无人驾驶等多个领域的二次开发, 具有广阔的应用空间和发展前景。
摘要：为了降低物流运输和仓储配送过程中使用工具的学习成本和人工成本, 提高工作效率, 本文设计了一种以单片机为控制核心的智能跟随搬运机器人。通过采用视觉识别模块、人体识别模块、边界检测模块以及视觉辅助等多个模块进行多方面信号采集, 并进行综合优化处理, 增强了系统的稳定性和机器人的灵活性, 实现了自主跟随人体, 协助工作人员进行搬运工作, 避免人体需要携带信号发射源的问题, 极大地提高了用户体验。
关键词：识别系统,主动跟随,电机驱动
参考文献
[1]陶洁, 肖桂凤, 迟权德.基于AT89C52单片机的超声波测距仪的设计[J].电子设计工程, 2012, 20 (02) :135-137, 138.
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机器人搬运单元 篇5
利用DELMIA软件对系统布局进行仿真, 确定机器人、托盘和生产加工线的布局, 缩短系统开发周期, 同时降低生产成本、促进创新。
1系统构成
系统使用SICK公司的IVC-3D 200的3D智能相机对于工件位置精确测量和定位该相机可以一次性提取到工件的3维坐标数据。3D相机利用的是“高度”原理, 根据物体高度值的变化来作为判别的依据;另外, 3D相机采用线扫描的拍照方式, 必须通过移动物体或移动3D相机才能生成一张完整的照片。
在机械手的前端安装SICK IVC-3D200相机, 机械手抓取工件前先在托盘的大概放置位置上方扫描一遍, 并算出工件的具体3维位置坐标, 相机将数据通过以太网通讯方式传送至机械手控制系统, 机械手再根据该坐标数据调整机械手的相对位置, 准确把工件抓取并送到生产线上。
2系统标定流程
标定是机器人视觉引导的关键环节, 标定精度直接影响机器人对工件的定位效果。同时, 机器人视觉标定技术又是离线编程的前提[1]。由于相机和机器人的坐标系不同, 必须实现对相机和机器人进行标定, 相机、机器人标定流程如下:
A.将标定板放到扫描位置, 机器人移动相机, 相机扫描提取特征点 (选取标定板上3个特征点进行程序标定) ;
B.机器人“点触法”示教标定板上3个特征点 (3个特征点和相机选取的需保持一致) , 并根据3个点生成坐标系;
C.拿开标定板, 放上缸体产品 (尽量摆正) , 相机扫描工件, 软件提取工件特征点信息 (X, Y, θ) ;
D.机器人定义抓取点;
E.标定完成;
F.正常生成相机扫描工件后, 输出其位置偏移量 (ΔX, ΔY, Δθ) , 通过以太网传递给机器人;
G.机器人根据收到的数据调整姿态抓取工件, 并送到指定位置。
3系统工作流程
工件已每排四个, 每层两排的方式顺序排放在托盘上, 可能某些位置会有缺失, 相机先对最上一层工件进行整体扫描, 确定每层工件数目, 再根据相机反馈的位置信息对单个工件进行精确扫描, 机器人和相机系统工作流程图如图1:
3D相机工作时需要设定检测物体的高度范围、宽度范围, 以确定视野允许范围, 参数可通过系统自带软件设置。
相机和机器人控制系统通过以太网连接通讯传输数据和信息。
确定工件的共同特征点, 3D相机先对每排工件进行粗略扫描确定工件的数目, 再对单个工件精确扫描, 结果如图2和图3所示:
结语
该系统已成功应用于生产车间, 系统运行可靠、稳定、精度高, 大大节省了劳动力, 实现了工业机器人应用的重大突破。
摘要：本文提出了一种基于3D视觉的工业机器人搬运系统, 3D相机和机器人进行标定后对堆放在工业机器人旁边待加工的托盘上的工件精确定位, 通过以太网传送工件三维空间位置信息给机械手, 工控机根据该坐标数据调整机械手的相对位置后把工件准确的搬送到生产线上进行机加工。该系统已成功应于生产线, 大大提高了作业效率, 节约了劳动力。
关键词：工业机器人,搬运,3D
参考文献
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基于单片机的搬运机器人设计 篇6
搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。它的特点是可通过编程来完成机器人的各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。搬运机器人能灵活的实现物料的抓取和搬运动作,具有效率高,体积小巧、实用等特点,在工厂的生产线上有很大的应用空间。本设计中的搬运机器人打破传统设计中搬运机械手的结构,而是把机械手安装在车身上,实现可以自由移动和搬运货物的目的,实现了自动抓取、搬运和移动的功能,提高了劳动效率,具有较高的应用价值。
1 搬运机器人的基本原理
搬运机器人主要由机械手和车身运动机构组成。机械手主要是用来抓持物料(或工件)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。根据实际的工作情况和任务,本设计中主要采用的是夹持型,机械手爪的夹持由直流电机驱动并控制。车身的运动机构主要承载整个机身重量和实现机器人自行的移动,包括直线和拐弯的运动,其运动较灵活,驱动力大。
本文采用AVR单片机作为控制系统的核心部件。在小车的驱动系统中采用两个260电机来驱动系统,在机械手机构中采用2个舵机驱动,实现2自由度运动,达到自动抓取重物并提升的目的。
2 系统硬件
搬运机器人的硬件结构包括机械手部件和车身机构两大部分组成。
2.1 机械手部件
机械手部件的运动必须要有强大的动力系统和精准的信号系统。目前,机械手常用的动力系统有液压驱动式、气动驱动式、电动驱动式和机械式等几种方式,本设计中根据实际的情况主要采用的电动式驱动。采用两款舵机进行驱动机械手臂和手爪,能实现手臂的升降及手爪的开合,此设计中的机械手动力较强劲、传动系统采用的是齿轮机构,摩擦较小。在运动过程中,单片机输出的信号经分析处理后输出,控制机械手臂上两舵机,完成抬放臂和抓物理、放物体货动作,控制精度较高。机械手的材料主要采用的是铝合金,爪子的最大张角是53mm。
2.2 车身机构
本项目中车身设计采用的是四轮车体,采用铝合金作为车架,具体轻便坚固等特点。搬运机器人行动部分驱动由两个直流电机提供动力,两个直流电动机安装在机器人的前方,分别驱动两个前轮,为搬运机器人行动提供动力。通过单片机的脉冲信号控制系统直流电机,直流电机驱动齿轮系统实现变速,一个电机控制左侧2轮,另一个电机控制右侧2轮。该设计结构合理,移动轻松灵活,也可以通过两电机的差速控制来实现拐弯转向。另外,车身机构配备了大功率驱动模块,用以驱动电机,使搬运机器人在实际运行和搬运的过程中更加轻松无阻。此外,系统还包括稳压模块。稳压模块为系统提供稳定的5V输出电压,当然,该搬运机器人系统也可以采用干电池供电,摆脱交流电源的束缚。(图1)
3 系统软件
该搬运机器人采用AVR单片机控制,我们选用ATmega16L单片机作为主控制器。其主要特点是高性能、低功耗,功能高度集成,无需扩展就能满足本系统的全部需求,并且支持C语言编程。系统程序设计中包含了延时程序、控制机械手抬起、放下和张开程序、驱动电机程序等子程序。通过启动机器人系统的主控开关控制系统,进而实现各部件的运动。(图2)
4 搬运机器人的物理结构
搬运机器人的机械结构设计部分很好的将机械手与车身结合,打破传统搬运机器人的固定模式,实现搬运物料过程的高效性。在机械手部件有2个直流电机驱动,一个驱动电机实现手爪的开合,另一个电机驱动手臂的提升和下降。在车身部分同样设计2个马达驱动车身的移动,车轮及零件轮胎采用实心型橡胶制品,富有较强附着力。
5 结束语
本文介绍了一种基于单片机控制的搬运机器人硬件系统和软件系统的设计,该方法成本低,易于实现。经过对搬运机器人的反复调试和实验,机器人能移动靠近物体并抓取物体,返回原地,放下物体,完成抓取并转移物体的任务。该搬运机器人系统可模拟工业生产中进行重复性劳动所需的动作,完成正常搬运货物的任务,满足设计要求,并且效率较高,具有较高的工业实用价值。
参考文献
[1]耶晓东.基于单片机的简易机械手的设计[J].微计算机信息.
机器人搬运单元 篇7
由于科学技术的飞速发展, 机器人已经越来越多地深入到我们的生活中。它从总体上涉及了机械设计、电子信息工程、自动化控制工程[1]等多个学科。重要的是它反映了人工智能等多种学科的最新研究成果, 所以研究机器人有着非常重要的意义。随着现代社会自动化水平的提高, 人们对机器人的要求也越来越高, 本文介绍的机器人主要用于解决工业自动化中的搬运问题。由于该机器人结构比较复杂, 所以对其动力学分析要比一般的机构困难。因此, 快速并准确分析机器人的运动显得非常重要。
ADAMS仿真分析软件[2]为机器人的研究及设计提供了一种高效便捷的方法, 研究资料表明ADAMS软件可以直观、便捷、正确地分析机构的运动学特性。ADAMS仿真分析是研究机器人运动的重要的组成部分, 它可以提高对机器人的研究水平。它采用了交互式的图形环境和零件库, 创建了参数化的几何模型[3]。它能对机器人系统的静力学、运动学、动力学进行优化设计, 输出构件的位移、速度及加速度曲线, 最终验证理论推导的正确性。
1 机器人的结构及参数设计
通过运用Solid Works软件对构造机器人进行实体建模, 按照1:1的比例画它的三维图, 它能够真实地反映实体的性能参数。该机器人由以下三部分组成, 如图1所示, 分别为底座、大臂及小臂。
机器人共有4个自由度, 分别是机身本体的旋转, 大臂和小臂的俯仰运动及腕部转动。
末端执行器的位置通过控制机器人的腰部、大臂及小臂的运动来实现, 而姿态则通过控制机器人的腰部和手腕的关节运动来实现。本文所设计的机器人中有两个平行四边形机构, 该机构可以使腕部保持始终垂直于地面的状态, 重要的是它减少了一个关节的控制, 进而降低了控制的难度。
2 机器人运动学求解
2.1 机器人运动学方程正解的问题
所谓机器人运动学的正解问题就是已知各杆的关节变量和结构参数[4], 求解它末端执行器的空间位姿。机器人的运动学模型根据所设计的机器人对其进行三维仿真运动的基础上, 把各轴原点依次定为O1、O2、O3。即通过变量θi求出手部位姿n、o、a、p。通过运用D-H法对机器人的运动学进行分析, 首先建立机器人的D-H坐标系, 它所对应的连杆参数如表1所示, 连杆坐标系的设定如图2所示。其次利用连杆参数可以得到相应各个连杆的变换矩阵, 用齐次变换阵ii-1T描述某局部坐标相对于前一坐标系的位姿。
其中任意两杆之间的距离为di, 所以4杆之间任意两杆的距离为d1、d2、d3、d4、d5、d6。由两杆件的齐次变换矩阵的方法得
所以齐次变换矩阵为
通过以上分析可得, 机器人手部的位姿方程为
2.2 机器人运动学方程的逆解问题
运动学方程的逆解是指根据末端执行器的位姿变换矩阵[5], 通过运用它的运动学方程来求解关节变量的问题。机器人末端执行器的空间运动轨迹是其操作任务所确定的。轨迹上的各点对应于所要求解的关节变量, 并根据它控制机器人各个关节驱动机构的运动。
3 运动学模型的建立
虽然ADAMS软件有较强的仿真运算能力, 但是对于三维实体建模却比较薄弱。通过运用Solid Works软件建立的三维具体模型不能直接进行动力学分析, 需要将其导入多体运动学仿真软件ADAMS中, 再利用ADAMS/View模块进行仿真分析。因此, 将绘制的三维模型导入仿真软件ADAMS中, 可以得到结果如图3所示。
Solid Works绘制的三维图导入ADAMS中进行仿真分析, 具体操作步骤如下:1) 首先在Solid Works软件建立各个零件, 将零件装配为装配体模型, 根据三维具体模型的装配体另存为parsolid格式, 文件后缀为.xmt_txt格式, 并将该文件导入在ADAMS中。2) 根据机器人的运动在ADAMS中添加各个构件的属性以及各个构件之间的约束和运动副, 最终添加其它一些外界条件。3) 通过定义模型中各个关节的运动副参数, 加上运动所需要的驱动进行仿真分析, 设置所需构件的测量和仿真输出。4) 验证仿真分析的结果, 输入实验的数据并分析实验数据曲线[8]。
机器人的三维建模与运动学仿真流程图如图4所示。
当给定机器人各个关节角度值后让机器人的末端达到一定的位姿, 进而可以查看仿真结果首先要通过定义各个旋转副的转动, 使各个杆件按照要求的规律运动。在ADAMS软件中定义的运动副可以是与时间有关的位移、速度和加速度[9]。按照机器人的运动特性, 分别对机器人的末端执行器的X、Y、Z三个方向的位移、速度和加速度进行分析[10]。假设所给驱动的旋转函数关系为STEP5 (time, 2, 1, 5, 2d) +STEP5 (time, 8, 3d, 10, 2d) +STEP5 (time, 13, 3d, 15, 2) , 设定仿真时间为15s, 仿真步数为500步, 进行仿真分析, 最后可以得到如图5所示仿真结果。
由以上的仿真结果可以看出, 机器人在各个方向运动平稳, 验证了平行四边形原理的正确性。说明所设计机器人没有位移、速度、加速度的波动冲击。仿真结果说明了该设计中腕部的方向的准确性, 为机器人对棉筒的准确定位提供了依据。
4 研究结果分析及结论
根据机器人的现实要求, 本文运用Solid Works软件建立三维零件具体模型, 将零件图进行装配并对其结构进行了分析。运用ADAMS仿真软件进行实验求解和结果分析, 模拟了机器人末端执行器的动态特性, 帮助我们了解机器人的工作空间, 从而说明了机构合理的运动方案和控制算法的正确性。采用D-H法对机器人进行运动学方程的正解和逆解, 最终在ADAMS软件中进行了运动仿真, 仿真的结果验证了理论设计的正确性。
最终该设计解决了机器人在设计制造及运行的过程中所出现的腕部运行不平稳问题, 从而避免了直接操作机器人可能会造成的事故以及可能会产生的不必要损失。从实际问题出发, 这次仿真技术具有重要的意义。通过该设计可以与其它机器人对比, 该机器人具有自由度较少、结构相对紧凑、工作效率高等优点。
摘要：针对棉纺车间棉筒的搬运问题, 运用Solid Works软件设计了搬运机器人的3D模型。采用D-H法建立机器人的运动学方程, 进而对运动学的正问题和逆问题进行求解。最后以ADAMS作为仿真工具, 从理论上分析机器人运动, 验证了机器人设计的可行性, 为机器人实现棉筒搬运问题提供了依据。通过理论计算值与仿真结果进行对比分析, 结果表明该机器人末端执行器在竖直方向运行平稳, 进而为后续设计打下基础。
关键词：运动学分析,Solid Works,ADAMS,动态仿真
参考文献
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