一个机器人机械臂封闭运动链基于plc控制

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1、.基于PLC控制的机械臂控制系统摘要：本文介绍了基于可编程逻辑控制器（PLC）的机器人控制系统的设计和实施。该控制机器人是用一个拥有4自由度（DOF）的机械手实现运动，被广泛应用在包装、负载工作当中。控制软件是的一款商用PLC系统，它具有标准编程工具和多任务处理的功能。而且还能详细分析相关的缺点和优点。在这种应用标准下选择PLC，和专门的硬件选择有许多相似的地方，特别强调的是要考虑控制的准确性。一、引言机械臂被大量使用在包装厂，尤其是需要取放操作和箱灌装的工业场合。比如包装小食品过程中（如饼干或糖果），他们的工作区相对较小，需要高性能

2、的机器人并具有短周期和高精度的运动控制。这样的情况常用到轻型并联驱动器或三角运动方式，它的优势在降低移动质量和惯性。一个典型的例子机械手是ABB制造的FlexPickerIRB340，这是一个具有4度中自由度（DOF）机器人。IRB340或典型工作单元类似的机器人都拥有视觉系统，用以识别产品的运输情况。在机械人内部控制系统中，整个解决方案里的硬件和软件提议由ABB提供。因此，机器人控制装置实际上是一个相当封闭的系统，客户不能也没必要在机械人内部作具体的扩展。机器人应用程序是特定的，但是整个生产过程的控制，还要在机器人外部作相应的扩展，

3、所以基本的机器人运动控制系统通常需要软件或硬件的密切配合，为了更方便利用，客户往往寻求开放式的机器人控制器。事实上，一些开放体系结构的机器人控制可以在学术项目中，或在商业机器人制造商那找到。在大多数情况下，这些架构利用都是基于计算机（PC）。一方面，利用PC的机器人控制降低软件开发成本，这要归功于高级语言和精心设计的集成开发环境（IDE）。在另一方面，标准的PC不具有恶劣的工业环境所需的可靠性，为此使用的保护套和更强大的电子元件实际上增加了PC机的最终成本。而可编程逻辑控制器（PLC）由于其耐用性，低成本和易用性，已经在工业控制装置领

4、域发挥主导作用。PLC常被认为是低级别的系统，是因为其控制简单的布尔信号（即离散控制和测序）和监督的安全性、完整性。然而，现代PLC具有足够的计算带宽，能够执行复杂的数学计算和编程语言（如IEC61131-3），允许轻松实现任何种类的算法，可以在机器人的控制中使用。此外，即使大多数的PLC只支持其专有IDE，在该特定的IDE上它能够上传来自控制器的用户软件并修改它，这是基于PC的系统，其软件是一个已编译可执行文件。因此，用户即使没有原始的延伸源代码终端，PLC程序也可以被更新，这使得PLC是“开放式”系统。尽管有这些特点，基于PLC的

5、控制系统的机器人是相当罕见的，并且在一般情况下，仅限于简单的笛卡儿或门架状结构。在本文中，我们的目标是证明商业PLC和其多任务操作系统是足够强大来实现机器人系统控制的，包括逆运动学，上线轨迹规划及视觉系统的整合。事实上，在本论文中的描述是专为取放小食品产品的机器人系统，需要的应用程序如前所述。本文的其余部分安排如下：二、描述了机器人，二段的运动。三、提供有关轨迹生成解决方案的一些细节。第四和第五描述硬件架构和软件实现的控制系统。该实验结果列于第六点。...二、机器人运动学在这项研究中所考虑的机器人拥有4自由度与封闭的运动链。闭链解决方

6、案是采用高速和高刚度运动，因为它可以减小上部链接的惯性。机器人具有类似运动的实例结构是浅田的半直驱机械臂ABBIRB660（如右图1所示）。其中仅三个主要的自由度被突出显示。完整的机械设计机器人包括一个三连杆机构，该夹持器要总是平行于XY平面，并围绕该工具的接近轴旋转。在下文中，我们分析了机器人的逆运动学，考虑到仅三个自由度有关的笛卡尔空间定位。因此，我们定义：p=[pxpypz]T;q=[θ1θ2θ3]T(1)分别为工作区位置矢量和关节间隙位置矢量。为了定义的逆运动学函数Q=F（P），我们首先标示机器人的环节如下：L1是从底座上的第

7、一连杆，在图中所示.1在弯头向上配置，L2串联连接到L1，而L3和L4构成了第二个串行链，如图.1在肘下配置。然后，我们分别定义为L1，L2，L3和L4链路的长度。自L1=L4，在下文中，我们将仅使用第一个的两项措施。所要分析的其他位移的措施是从夹持器到基座并从夹持器到Z轴的距离。给定p和在平行于XY平面的投影P'，这些措施可分别定义：基部关节位置可以获得，根据下面式子：当然，四象限反正切值必须是用于θ3的正确计算。运动学分析的其余部分类似于一个简单的2自由度平面机械手。事实上，如果我们考虑的角度α，β，γ，我们都可以从机器人教科书得

8、到：并运用卡诺定理，由L1，L2和线从工具到基地，组成三角形：...最后，我们可以看到，β获得一个直角三角形延长L1的角度，这样一来经过一些计算后：然而，最终的逆运动学解决方案不同于因为运动链的闭合施加的完整约束的标准2