基于PLC控制的闭合运动链机械手1.doc

基于PLC控制的闭合运动链机械手 摘要：本文描述了一个基于可编程逻辑控制器（PLC）硬件平台上的机器人控制系统的设计与实现。这个控制机器人是一个拥有4自由度（DOF）的闭合运动链机械手，它被设计用于包装生产单元高性能取放视觉系统类似机器人 (1) 分别为工作区位置矢量和关节空间位置矢量。为了确定逆运动学函数q= f(p)，我们先标记如下的机器人链接：如图1所示，L1 是第一个来自基体的上部肘结构连接。L2串联连接到L1，而L3和L4构成了第二个串行链，如图1所示为下部肘结构。然后，我们分别定义l1，l2，l3和l4的链接长度。由于l1 = l4，在下面我们将只使用了两个量值中的第一种。另外一种的位移量需要有从爪到 图1. 机器人运动学结构 基体的距离和从爪到Z轴的距离的运动学分析。 给定的P点和P在平面上的投影点与XY面相平行。这些量值可以分别定义为： ； (2) 通过下面的公式可以简单地得到基体连接的位置： (3) 当然，这四个象限的反正切值必须用于θ3的正确计算。对其余的运动学分析类似于一个简单的二自由度平面机械手。事实上，如果我们考虑角度σ 、β 和 γ，我们可以从任何机器人教科书上得到如下公式： (4) 并在由L1 、L2以及手爪到基体的连线所组成的三角形中应用卡诺定理: (5) 最后，我们注意到，β 是通过L1适当延长得到的一个直角三角形的角度，于是，经过少量计算可得到： (6) 然而，最终逆运动学的解决方案不同于标准2自由度的平面机器人，这是因为它受到封闭运动链施加的完整约束。由这些制约因素推导的运动学分析解决方案如下： (7) 以及： (8)  轨迹生成 平滑轨迹生成VS系统生成的轨迹采用双积分和非线性控制组成，保证有界输出（即速度和加速度）和最的时间响应。同样的原则[9]中因为冲击的限制得到了进一步U（用于加速度）和（用于速度），上一个样本的输出速度和位置xn 。 图2. 用于轨迹生成的非线性框图 下面的控制[8]是根据滑模[10]的原则设计： (9) 其中σn的功能是跟踪误差，它的导数定义了滑动面，使之对于数学计算尤其简单，但是要保证xn在最短的时间里到达rn，需要对最大加速度和速度进行适当的限制，并要跟踪它是否过冲，如图3.所示。图2的两个积分有不同的结构：当un是常数时，要保证连续时间系统相同的动态行为，这个选择有必要的（见文献[8]）。 图3. 参考轨迹跟踪的非线性滤波 为机器人任务应用这种非线性滤波，有必要运动轨迹空间的边界导数动态地定义每个执行机构。在关节空间的轨迹可能会导致工作区的工具出现不良现象，甚至出现产品掉落。事实上，在应用领域中最常见的处理产品的方式是通过真空钳子的方法。当产品的表面有皱纹时（如饼干），使用这种方法的有效性是有限的。因此，我们选择在直角坐标系中用非线性滤波来产生轨迹，这样加速度和速度的动态范围就可以根据产品和爪接触面预期的库仑Allen-Bradley制造的商业PLC，一个CompactLogix 1768 - L43 [11]，一个用于三相永磁无刷电机（PM）[12]的Kinetix 6000伺服驱动系统以及基于康耐视InSight 5000PLC具有集成运动控制功能，这意味着它的固件能够管理并多达16个轴的运动。μs）执行精细的轮廓插补。PLC生成轮廓的采样率取决于受控轴的总数及它的运动控制任务配置的执行周期。在此应用中，这一直固定在6毫秒。ABB制造的商业控制器（即运行有Robotware实时操作系统的IRC5）或库卡机器人（带有虚拟化软件RTOS-VM的KR-C2，允许 VxWorks 、 Windows CE 或QNX作为实时操作系统和Windows XP一起运行在相同的机器上）低一半以上。 5.软件实现 Allen-Bradley PLC允许I