CN111645053B - 一种并联贴玉机械手控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联贴玉机械手控制系统和方法，一种并联贴玉机械手控制系统，包括工控机、运动控制器、EtherCAT耦合器、伺服驱动器和伺服电机；所述工控机，连接有定位工业相机和2台显示器，用于床垫位置视觉检测、系统人机交互和系统总体调度；一种并联贴玉机械手控制方法，包括工作流程控制、误差补偿调整和运动规划与控制；本发明提出的误差补偿方法一定程度上降低了对并联贴玉机械手运动学标定要求，缩短了系统开发周期；本发明提出的运动控制方法，不需要两台并联贴玉机械手空间安装与床垫坐标系平行，降低了机械安装要求，解决了机械手空间布局难题。
Description
技术领域
本发明涉及自动化设备领域，具体是一种片用并联贴玉机械手控制系统和方法。
背景技术
并联机械手是指提供一种低成本低廉，易安装维护，可操作性性强的机器人。并联机械手包括固定平台、运动平台和连接固定平台和运动平台的若干支链。
并联机械手性能高、成本低、负重比大、惯量低、动态性能好、运动精度高等优点，发展迅速。并联机械手智能化可以利用神经网络和机器学习相结合的方法，有效的提取特征并加权，保证误差降到最低的同时，具有良好的健壮性，能够满足装置的高精度和多种环境的工作需求。
在各行各业中普遍存在的，由人工来完成的诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性高强度操作，通常此类操作只需三个自由度，因此三自由度并联机构在实现空间上三个方向平动方面受到极大的关注，具有三个平动自由度的高速并联机械手以其高速的特性较好的满足了工业生产的需求，同时避免了人工操作给产品造成的不同程度污染。
在生产一种内部带有玉片的床垫时，需要将玉片一块块的粘接在床垫上，通过两个并联机械手能够代替人工操作对玉片进行拾取、涂胶和粘贴，其拾取动作精度高、力道适中，能够避免工件破碎损坏；
然而由于并联机械手无法直接对床垫进行定位，两个并联机械手空间安装造成坐标系旋转；不同床垫上玉石数量和位置不同；同时，由于并联机械手自身精度原因导致机械手定位误差，尤其是边缘误差增大。这些原因导致并联机械手控制难度大、精度难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并联贴玉机械手控制系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种并联贴玉机械手控制系统，包括工控机、运动控制器、EtherCAT耦合器、伺服驱动器和伺服电机；
所述工控机，用于系统总体调度和人机交互，连接有显示器1，用于系统人机交互界面显示；具体的，所述工控机的型号为研华AIMC-2000；
所述工控机，还连接有工业相机和显示器2，用于床垫位置视觉检测和显示；具体的，所述工业相机的为顺华利200万USB工业相机；
所述运动控制器，是并联贴玉机械手控制中枢，负责运行PLC程序和并联机械手运动程序，完成并联机械手运动工作流程、点胶系统开关、玉石吸放系统真空吸盘开关、系统运行逻辑和时序控制；
具体的，所述运动控制器为欧姆龙CK3E-1210多轴运动控制器；
所述EtherCAT耦合器，连接有输入模块和输出模块，输入模块接收供玉系统玉石在位检测信号和各运动轴正负限位信号，通过EtherCAT总线传送给运动控制器；输出模块在运动控制器程序控制下，输出点胶系统电磁阀开关信号，控制点胶系统中电磁阀接通时间，从而控制出胶量；输出模块还输出玉石吸放系统电磁阀开关信号，控制玉石吸放系统中电磁阀通断，控制真空吸盘吸放；具体的，所述EtherCAT耦合器的型号为倍福EK9000；
所述运动控制器、EtherCAT耦合器和6个伺服驱动器间通过EtherCAT总线串联连接并通讯；运动控制器与工控机通过Ethernet总线通讯；
一种并联贴玉机械手控制方法，包括工作流程控制、误差补偿和运动规划与控制。
所述工作流程控制，一种并联贴玉机械手工作过程包括以下步骤：
步骤1、视觉检测：首先通过工业相机和显示器确定床垫的位置，对照屏幕人工移动床垫位置，假如标准位置与识别位置是否重合，如果不重合，则继续移动床垫调整，直至到误差允许范围之内；
步骤2、将床垫放置在并联贴玉机械手工作台上，使床垫坐标系和工作台坐标系重合；
步骤3、在工控机上输入床垫上x和y方向玉石行列数，系统自动进行运动规划；
步骤4、工控机自动调用运动程序，系统自动执行，在每个运动循环中完成吸玉、点胶、到达目标位置、压玉、放玉和复位流程；
进一步的，每个运动循环中对并联贴玉机械手目标位置进行补偿调整；
所述误差补偿控制，在并联贴玉机械手调试阶段，检测并联贴玉机械手在每个贴玉目标位置处实际运行位置和理论位置x和y方向的偏差，假设床垫上第i行第j列的理论位置为Pij(xij,yij)，经检测该位置并联贴玉机械手运动位置偏差为(Δxij,Δyij)，则调整并联贴玉机械手运动目标位置指令为P'ij(xij-Δxij,yij-Δyij)；
所述运动规划与运动控制，假设玉石为M行N列，第1行第1列玉石位置为(0,0)，玉石行间距dr，列间距dl，则第i行第j列玉石的理论位置为Pij(xij,yij)，进一步为Pij((i-1)*dr,(j-1)*dl)，误差补偿调整后的贴玉目标位置为P'ij(x'ij,y'ij)，进一步的，x'ij＝xij-Δxij＝(i-1)*dr-Δxij,y'ij＝yij-Δyij＝(j-1)*dl-Δyij；每个运动循环包括初始位置-吸玉位置-下降-吸玉-升起-点胶位置-下降-点胶-升起-贴玉目标位置-下降-压玉和放玉-升起-复位；
进一步，假设并联贴玉机械手坐标系原点在并联贴玉机械手床垫坐标系上的位置为(xo,yo,zo),并联贴玉机械手坐标系x轴与并联贴玉机械手床垫坐标系x轴夹角为θ；则目标玉石位置在并联贴玉机械手坐标系下为P"ij(x"ij,y"ij)，进一步的，x"ij＝(x'ij-xo)*cos(θ)-(y'ij-yo)*sin(θ)，y"ij＝-(x'ij-xo)*sin(θ)+(y'ij-yo)*cos(θ)；
进一步的，假设并联贴玉机械手三个驱动轴角度向量为(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T，并联贴玉机械手运动学逆解变换矩阵为M，则(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T＝M(x"ij,y"ij,-zo)T；三个驱动轴角度向量直接用于并联贴玉机械手运动控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用了先进的EtherCAT总线技术，减少了系统连线，控制响应速度快；本发明提出的误差补偿方法一定程度上降低了对并联贴玉机械手运动学标定要求，缩短了系统开发周期；本发明提出的运动控制方法，不需要两台并联贴玉机械手空间安装与床垫坐标系平行，降低了机械安装要求，解决了机械手空间布局难题。本发明具有简便易行、稳定可靠的优点，使传统并联机械手控制难度降低，满足客户生产效率，八小时班产量为7.5万粒玉片。
附图说明
图1为一种贴玉片用并联机械手控制系统的电路图
图2为一种并联贴玉机械手控制方法的程序框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-2，一种并联贴玉机械手控制系统，包括工控机、运动控制器、EtherCAT耦合器、伺服驱动器和伺服电机；
所述工控机，用于系统总体调度和人机交互，连接有显示器1，用于系统人机交互界面显示；具体的，所述工控机的型号为研华AIMC-2000；
所述工控机，还连接有工业相机和显示器2，用于床垫位置视觉检测和显示；具体的，所述工业相机的为顺华利200万USB工业相机；
所述运动控制器，是并联贴玉机械手控制中枢，负责运行PLC程序和并联机械手运动程序，完成并联机械手运动工作流程、点胶系统开关、玉石吸放系统真空吸盘开关、系统运行逻辑和时序控制；具体的，所述运动控制器的型号为欧姆龙CK3E-1210；
所述EtherCAT耦合器，连接有输入模块和输出模块，输入模块接收供玉系统玉石在位检测信号和各运动轴正负限位信号，通过EtherCAT总线传送给运动控制器；输出模块在运动控制器程序控制下，输出点胶系统电磁阀开关信号，控制点胶系统中电磁阀接通时间，从而控制出胶量；输出模块还输出玉石吸放系统电磁阀开关信号，控制玉石吸放系统中电磁阀通断，控制真空吸盘吸放；具体的，所述EtherCAT耦合器的型号为倍福EK9000；
所述运动控制器、EtherCAT耦合器和6个伺服驱动器间通过EtherCAT总线串联连接并通讯；运动控制器与工控机通过Ethernet总线通讯；
一种并联贴玉机械手控制方法，包括工作流程控制、误差补偿调整和运动规划与控制。
所述工作流程控制，一种并联贴玉机械手工作过程包括以下步骤：
步骤1、视觉检测：首先通过工业相机和显示器确定床垫的位置，对照屏幕人工移动床垫位置，假如标准位置与识别位置是否重合，如果不重合，则继续移动床垫调整，直至到误差允许范围之内；
步骤2、将床垫放置在并联贴玉机械手工作台上，使床垫坐标系和工作台坐标系重合；
步骤3、在工控机上输入床垫上x和y方向玉石行列数，系统自动进行运动规划；
步骤4、工控机自动调用运动程序，系统自动执行，在每个运动循环中完成吸玉、点胶、到达目标位置、压玉、放玉和复位流程；
进一步的，每个运动循环中对并联贴玉机械手目标位置进行补偿调整；
所述误差补偿调整，在并联贴玉机械手调试阶段，检测并联贴玉机械手在每个贴玉目标位置处实际运行位置和理论位置x和y方向的偏差，假设床垫上第i行第j列的理论位置为Pij(xij,yij)，经检测该位置并联贴玉机械手运动位置偏差为(Δxij,Δyij)，则调整并联贴玉机械手运动目标位置指令为P'ij(xij-Δxij,yij-Δyij)；
所述运动规划与运动控制，假设玉石为M行N列，第1行第1列玉石位置为(0,0)，玉石行间距dr，列间距dl，则第i行第j列玉石的理论位置为Pij(xij,yij)，进一步为Pij((i-1)*dr,(j-1)*dl)，误差补偿调整后的贴玉目标位置为P'ij(x'ij,y'ij)，进一步的，x'ij＝xij-Δxij＝(i-1)*dr-Δxij,y'ij＝yij-Δyij＝(j-1)*dl-Δyij；每个运动循环包括初始位置-吸玉位置-下降-吸玉-升起-点胶位置-下降-点胶-升起-贴玉目标位置-下降-压玉和放玉-升起-复位；
进一步，假设并联贴玉机械手坐标系原点在并联贴玉机械手床垫坐标系上的位置为(xo,yo,zo),并联贴玉机械手坐标系x轴与并联贴玉机械手床垫坐标系x轴夹角为θ；则目标玉石位置在并联贴玉机械手坐标系下为P"ij(x"ij,y"ij)，进一步的，x"ij＝(x'ij-xo)*cos(θ)-(y'ij-yo)*sin(θ)，y"ij＝-(x'ij-xo)*sin(θ)+(y'ij-yo)*cos(θ)；
进一步的，假设并联贴玉机械手三个驱动轴角度向量为(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T，并联贴玉机械手运动学逆解变换矩阵为M，则(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T＝M(x"ij,y"ij,-zo)T；三个驱动轴角度向量直接用于并联贴玉机械手运动控制。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种并联贴玉机械手控制系统，其特征在于，包括工控机、运动控制器、EtherCAT耦合器、伺服驱动器和伺服电机；
所述工控机，用于控制系统总体调度和人机交互，连接有第一显示器，用于控制系统人机交互界面显示；具体的，所述工控机的型号为研华AIMC-2000；
所述工控机，还连接有工业相机和第二显示器，用于床垫位置视觉检测和显示；具体的，所述工业相机为顺华利200万USB工业相机；
所述运动控制器，是并联贴玉机械手控制中枢，负责运行PLC程序和并联贴玉机械手运动程序，完成并联贴玉机械手运动工作流程、点胶系统开关、玉石吸放系统真空吸盘开关、控制系统运行逻辑和时序控制；具体的，所述运动控制器的型号为欧姆龙CK3E-1210；
所述EtherCAT耦合器，连接有输入模块和输出模块，输入模块接收供玉系统玉石在位检测信号和各运动轴正负限位信号，通过EtherCAT总线传送给运动控制器；输出模块在运动控制器程序控制下，输出点胶系统电磁阀开关信号，控制点胶系统中电磁阀接通时间，从而控制出胶量；输出模块还输出玉石吸放系统电磁阀开关信号，控制玉石吸放系统中电磁阀通断，控制真空吸盘吸放；具体的，所述EtherCAT耦合器的型号为倍福EK9000；
所述运动控制器、EtherCAT耦合器和6个伺服驱动器间通过EtherCAT总线串联连接并通讯；运动控制器与工控机通过Ethernet总线通讯；
所述并联贴玉机械手控制系统的控制方法，包括工作流程控制、误差补偿调整和运动规划与控制；
所述工作流程控制，包括以下步骤：
步骤1、视觉检测：首先通过工业相机和第二显示器确定床垫的位置，对照第二显示器人工移动床垫位置，判断标准位置与识别位置是否重合，如果不重合，则继续移动床垫调整，直至到误差允许范围之内；
步骤2、将床垫放置在并联贴玉机械手工作台上，使床垫坐标系和工作台坐标系重合；
步骤3、在工控机上输入床垫上x和y方向玉石行列数，控制系统自动进行运动规划；
步骤4、工控机自动调用运动程序，控制系统自动执行，在每个运动循环中完成吸玉、点胶、到达目标位置、压玉、放玉和复位流程。
2.根据权利要求1所述的一种并联贴玉机械手控制系统，其特征在于，每个运动循环中对并联贴玉机械手目标位置进行误差补偿调整，具体的，误差补偿调整方法为：在并联贴玉机械手调试阶段，检测并联贴玉机械手在每个贴玉目标位置处实际运行位置和理论位置x和y方向的偏差，假设床垫上第i行第j列的理论位置为Pij(xij,yij)，经检测该位置并联贴玉机械手运动位置偏差为(Δxij,Δyij)，则调整并联贴玉机械手运动目标位置指令为P'ij(xij-Δxij,yij-Δyij)。
3.根据权利要求2所述的一种并联贴玉机械手控制系统，其特征在于，根据床垫上玉石行列数进行运动规划，具体的，运动规划方法为：假设玉石为M行N列，第1行第1列玉石位置为(0,0)，玉石行间距dr，列间距dl，则第i行第j列玉石的理论位置为Pij(xij,yij)，进一步为Pij((i-1)*dr,(j-1)*dl)，误差补偿调整后的贴玉目标位置为P'ij(x'ij,y'ij)，x'ij＝xij-Δxij＝(i-1)*dr-Δxij,y'ij＝yij-Δyij＝(j-1)*dl-Δyij；每个运动循环包括初始位置-吸玉位置-下降-吸玉-升起-点胶位置-下降-点胶-升起-贴玉目标位置-下降-压玉和放玉-升起-复位。
4.根据权利要求3所述的一种并联贴玉机械手控制系统，其特征在于，将并联贴玉机械手床垫坐标系变换到并联贴玉机械手坐标系，具体的，坐标系变换方法为：假设并联贴玉机械手坐标系原点在并联贴玉机械手床垫坐标系上的位置为(xo,yo,zo),并联贴玉机械手坐标系x轴与并联贴玉机械手床垫坐标系x轴夹角为θ；则目标玉石位置在并联贴玉机械手坐标系下为P"ij(x"ij,y"ij)，x"ij＝(x'ij-xo)*cos(θ)-(y'ij-yo)*sin(θ)，y"ij＝-(x'ij-xo)*sin(θ)+(y'ij-yo)*cos(θ)。
5.根据权利要求4所述的一种并联贴玉机械手控制系统，其特征在于，根据并联贴玉机械手坐标系下终端位置求解各驱动轴角度，具体的，计算方法为：假设并联贴玉机械手三个驱动轴角度向量为(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T，并联贴玉机械手运动学逆解变换矩阵为M，则(θ1ij,θ2ij,θ3ij)T＝M(x"ij,y"ij,-zo)T；三个驱动轴角度向量直接用于并联贴玉机械手运动控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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