【正文】 攻關(guān)開始，我國將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，實(shí)現(xiàn)了中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的“從無到有”。本文就是立足于此，以具體工程實(shí)踐為研究背景，進(jìn)行四自由度碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究，以實(shí)現(xiàn)對碼垛機(jī)器人的運(yùn)動控制，滿足生產(chǎn)實(shí)踐需求。 通過分析機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，獲得機(jī)器人的幾何模型，通過運(yùn)動分析，得到運(yùn)動變換關(guān)系式。 以 ACR9000 多軸運(yùn)動控制器和 MT6100iV 人機(jī)界面為核心控制器件進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)，共分為以下幾個(gè)部分：相關(guān)器件選型、電氣線路連接、控制器與伺服信號線路連接、觸摸屏與控制器線路連接 以 ACR View 和 EB8000 為開發(fā)工具， 分別對下位機(jī)程序和人機(jī)界面進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)通過將相關(guān)控件與相應(yīng)地址相鏈接實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制。s Seven Five year Plan period,Our country has made torchplan projects and application of industrial robots as one of the key research and development has successfully realized robot industry from nonexistence to pass into existence plan. However, on the whole, our country39。 research is still a long way to go. This article talks about the control system of robot to realize motion control of the robot based on the engineering practice with specific background. Our purpose is to meet the industry requirement. Specific content of the article are as follows: 1. The introduction of a brief background of this thesis and its significance. 2. Through the analysis of the robot39。 作為物流自動化領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，近年來，碼垛技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。另外，隨著大型物資批發(fā)配送中心的出現(xiàn)，需要為成千上萬個(gè)用戶按訂單配送產(chǎn)品，這就要求碼垛機(jī)具有混合碼垛的能力， 所有這些都為碼垛機(jī)器人的發(fā)展提供了機(jī)會。將機(jī)器人與包裝線相結(jié)合，既提高了生產(chǎn)線的工作效率，又增強(qiáng)了運(yùn)行的可靠性，減少了人力資源的開支，更讓當(dāng)代企業(yè)迅速適應(yīng)不斷變化的市場要求，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 碼垛機(jī)器人不僅能承擔(dān)高負(fù)重，而且速度和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工碼垛。 可以根據(jù)需要抓取不同類別的產(chǎn)品，更能適應(yīng)現(xiàn)代多元化的生產(chǎn)。 5. 可以與其它檢測設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成現(xiàn)代化得自動生產(chǎn)線，大大提高企業(yè)自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力 圖 11 碼垛過程示意圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前歐、美、日的碼垛機(jī)器人在全 球市場的占有率均超過了 90％，在機(jī)器人國際市場中占領(lǐng)份額最大的是日本，其生產(chǎn)、使用及銷售一直處于全球領(lǐng)先位置。據(jù)日本機(jī)器人聯(lián)合會 2021年 8月公布的數(shù)據(jù)顯示：2021年第二季度機(jī)器人銷售金額為 1460億日元，其中出口金額竟達(dá)到 978億日元。 2021年全球機(jī)器人行業(yè)總銷售量仍比2021年增長 10%。“十五”期間是我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此外我國也已經(jīng)形成了以新松為代表的一些具有一定競爭力的機(jī)器人公司和產(chǎn)業(yè)化基地。我國市場上機(jī)器人總共擁有量近萬臺，僅占全球總量的 %，其中完全化國產(chǎn)機(jī)器人僅占30%，其余皆為從日本、美國、瑞典 、德國、意大利等 20多個(gè)國家引進(jìn) [2]。 論文研究意義和目的 日本、美國等西方發(fā)達(dá)國家碼垛機(jī)器人應(yīng)用廣泛，幾乎遍布整個(gè)相關(guān)行業(yè)。碼垛機(jī)器人未能在較大行業(yè)范圍內(nèi)使用，而且在使用的碼垛機(jī)器人中，進(jìn)口的占據(jù)大部分比例。 另外，國家 對機(jī)器人行業(yè)發(fā)展日益重視。為加大對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的資金投入力度 ,山東省將建立以政府投入為引導(dǎo)、企業(yè)投入為主體、金融投入為支撐的多元化投資體系。省科技山東大學(xué)學(xué)士論文 3 廳、發(fā)展改革委、經(jīng)濟(jì)和信息化委等部門的相關(guān)計(jì)劃和專項(xiàng)資金安排向機(jī)器人的研究開發(fā)和示范應(yīng)用推廣傾斜。 因此抓 住機(jī)遇，從事相關(guān)控制系統(tǒng)的研究，開發(fā)出高性能、低成本、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碼垛機(jī)器人具有廣闊的市場前景，同時(shí)可以進(jìn)一步推進(jìn)自主工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)及推廣使用，對于提高我國工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平，都具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。主要研究碼垛機(jī)器人的控制方案、控制算法，以及運(yùn)用 PARKER ACR9000對伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，運(yùn)用威綸 MT6100iv觸摸屏進(jìn)行上位機(jī)的開發(fā)。第 2章對碼垛機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動學(xué)的相關(guān)分析。第 4章則重點(diǎn)介紹運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括對硬件控制器件的選型，線路連接等。第 6章則通過實(shí)際測試獲得機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了碼垛機(jī)器人的相關(guān)發(fā)展背景，并對國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述。 山東大學(xué)學(xué)士論文 4 第二章 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動學(xué)分析 碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 用于碼垛的機(jī)器人只需要 4 個(gè)自由度即可滿足實(shí)際需求。該機(jī)器人為四自由度混聯(lián)機(jī)器人。手臂固定在腰部，其中小臂通過前大臂、后大臂的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)和碼垛作業(yè)。在運(yùn)動的極限位置都安裝有限位開關(guān)。 圖 21 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 5 運(yùn)動學(xué)分析 工業(yè)碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖如圖 22所示，當(dāng) F點(diǎn)固定， E點(diǎn)沿水平方向移動時(shí)， A點(diǎn)的水平移動速度為 E點(diǎn)的λ倍，如果 E點(diǎn)作勻速運(yùn)動， A點(diǎn)也將作勻速運(yùn)動：當(dāng) E點(diǎn)固定， F點(diǎn)沿垂直方向移動時(shí)， A點(diǎn)的垂直運(yùn)動速度為 F點(diǎn)的λ 1倍，如果 F點(diǎn)做勻速運(yùn)動， A點(diǎn)也將作勻速運(yùn)動 [3]。當(dāng)機(jī)器人本體處于虛線所示的位置時(shí)，平行四連桿機(jī)構(gòu)的 F0點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)， X軸與 A0C0平行。 下面分析當(dāng)水平電機(jī)驅(qū)動模塊正向移動 x，垂直電機(jī)驅(qū)動模塊正向移動 y時(shí)，碼垛機(jī)器人腕部的運(yùn)動規(guī)律。39。39。同理，已知各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和位移，亦不難求出末端機(jī)械手的位姿。通過對模型的運(yùn)動學(xué)分析和計(jì)算獲得機(jī)器人的位姿變換關(guān)系式，為下一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的位置精確控制打下基礎(chǔ)。 對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。這是伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。電動機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。 2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大。 3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。能使用于較大的調(diào)速范圍。 6）能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件 目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載 1000N（相當(dāng) 100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人 大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 AC 伺服電機(jī)工作原理 目前國際上的工業(yè)機(jī)器人 90%以上均采用 AC 伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ⑵定子繞組散熱比較方便。 ⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。 機(jī)器人所采用的 AC 伺服電機(jī)也常常被稱作是 DC 無刷伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流電源通過整流濾波后再經(jīng)過PWM 逆變器輸出交流信號，形成旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使電機(jī)運(yùn)動。 （ 1）速度控制方式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，速度控制模式主要用于對速度要求比較高的場合。 主要應(yīng)用于對速度和位置要圖 31 AC 伺服電機(jī)工作電路基本組成 山東大學(xué)學(xué)士論文 10 求不太嚴(yán)格，對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。機(jī)器人的控制對末端執(zhí)行器的位置精度要求較高，而對末端執(zhí)行器的速度控制和力矩控制沒有特殊要求，所以確定碼垛機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇位置伺服控制方式以保證末端定位精度。在這個(gè)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的作用是使位置給定與的偏差向最小變化。電流調(diào)節(jié)器的作用是減小力矩波動，改善動態(tài)響應(yīng)的快速性，并對最大電流進(jìn)行限定等。以上各環(huán)節(jié)的參數(shù)的設(shè)計(jì)和速度檢測 微處理器構(gòu)成的位置控制 速度控制器 電流調(diào)節(jié)器 PWM放大器 伺服電機(jī) 速度給定 電流給定 θ 電流反饋 編碼器信號接收處理 位置檢測 脈沖給定 濾波器 濾波器 圖 32 位置伺服控制方式原理圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 11 整定應(yīng)根據(jù)具體的負(fù)載的 性質(zhì)（力矩和慣量的大?。员銤M足位置伺服精度的要求 [6]。通過調(diào)節(jié)比例、積分、微分的參數(shù)，可以使伺服電機(jī)獲得較好的動態(tài)性能，使實(shí)際位置與期望位置偏差較小，從而使系統(tǒng)保持較高的運(yùn)動精度。根據(jù)遞推原理得到其增量式 PID 算 法為： )]1()([)()()( ????????? kekeKkeKkeKkU dip 通過調(diào)整 Kp、 Ki、 Kd 的值，配合較高的機(jī)械精度，可以使伺服系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)加快，使位置控制在一定的偏差范圍內(nèi)。具體仿真模型如圖 33 所示?？梢詫?shí)現(xiàn)兩軸的協(xié)調(diào)控制仿圖 33 機(jī)器人系統(tǒng) MATLAB 仿真原理圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 12 真過程模擬機(jī)器人從點(diǎn) [30,45]到點(diǎn) [30， 45]的運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間為 , 其中參數(shù)設(shè)置為兩路電機(jī)系統(tǒng)位置環(huán) PID 參數(shù)均為 P=32021， D=400，速度環(huán) PID 參數(shù)設(shè)置為 P=，I=10，加速度及減速度均設(shè)為 5000 rpm/s ，減速比設(shè)置為 130。從上到下讀取參數(shù)依次為轉(zhuǎn)矩、加速度、運(yùn)動速度、位置。從圖中可知，該系統(tǒng)多電機(jī)同步效果較好，反應(yīng)靈敏，位移較為精確，可以很好的滿足碼垛的需求。并通過對反饋環(huán)的分析，獲得所要調(diào)節(jié)的控制參數(shù)。 山東大學(xué)學(xué)士論文 15 第四章 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 整個(gè)控制系統(tǒng)基本硬件平臺如圖 41所示 主要控制部件選型 1．運(yùn)動控制器 運(yùn)動控制器選用美國 Parker 公司生產(chǎn)的獨(dú)立式系統(tǒng)級別的多軸控制器 ACR9000。 ACR9000 的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面 （ 1）穩(wěn)定，可靠的硬件結(jié)構(gòu) （ 2）直觀、友善的調(diào)試開發(fā)界面（ ACRVIEW） （ 3）靈活、簡便的編程功能 （ 4）強(qiáng)大、開放的 PID 算法 （ 5）強(qiáng)勁、多樣的運(yùn)動及插補(bǔ)功能 （ 6）針對不通應(yīng)用領(lǐng)域提供的特殊功能 （ 7）強(qiáng)大的通訊能力，便捷地 HMI 開發(fā)方式 控制器具體規(guī)格參數(shù)說明如表 1 所示 硬件 控制軸數(shù) 2 ， 4 ， 6or8 軸（選用的為 6軸） 處理器 32 位浮點(diǎn) DSP150MFLOPS/75MHz 軌跡運(yùn)算 64bit 精確度 用戶存儲區(qū) 1MB 內(nèi)存，用于保存用戶的程序和設(shè)置的參數(shù) 固件 閃存 外形尺寸 ” W ” H ” D(24axes), ” w ” H ” D(68axes) 操作系統(tǒng) 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 電池 可選備份電池使用戶程序和參數(shù)不易丟失 性能 多任務(wù) 8 個(gè)坐標(biāo)系 /16 個(gè)正本程序 /8 個(gè)梯形圖程序 軌跡更新 每 100500 μ s 伺服更 新 25 μ s/axis 梯形圖邏輯 PLC 100500 μ s 掃描時(shí)間 插補(bǔ) 直線、圓弧、正弦曲線、螺旋線、橢圓、樣條、三維弧形 伺服環(huán) PID ，速度前饋，加速度前饋， Notch 和低通濾波 位置修正 硬件＜ 1usec 通訊 串行接口 1 個(gè)串行端口（ RS232 and/or RS422 ） Ether 10/100BaseT USB CANopen DS401 協(xié)議，用于 I/O 擴(kuò)展。可通過軟件設(shè)置同步串行接口（ SSI ），正交接口，步進(jìn)和方向， CW/CCW 模式 模擬輸入 8 路單端（ 4 路雙端）， 12 位（可選項(xiàng)） 內(nèi)置數(shù)字 I/O 2 到 4 軸控制內(nèi)置 20 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸入， 4 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸出； 4 到 8 軸控制器內(nèi)置 40 點(diǎn)， 24VDC 光隔離輸入， 8 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸出 軟件提供 開發(fā)軟件 ACRView 軟件開發(fā)包 語言支持 動態(tài)鏈接庫支持 C++,VB6,C, 2. 觸摸屏 觸摸屏選用威綸 MT6100iV。所選內(nèi)含 32 位 RISC（精簡指令集）微處理器，高效快速，功能強(qiáng)大、使用方便、可靠性高、壽命長、性價(jià)比高。能夠支持市場上大多數(shù)的 PLC，特別是兼容對 ACR9000 控制