上海市智能制造與機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗室是國內(nèi)最早將Beckhoff基于PC的控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人控制領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)之一。面對當(dāng)前航空航天工業(yè)跨越式發(fā)展的新挑戰(zhàn)，為了早日實(shí)現(xiàn)航空、航天工業(yè)大工件的加工，實(shí)驗室開發(fā)了可應(yīng)用于航空、航天工業(yè)的噴涂、鉚接、打磨、制孔等作業(yè)的全方位移動工業(yè)機(jī)器人。該技術(shù)融合了移動AGV技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、視覺導(dǎo)航技術(shù)以及激光定位技術(shù)。基于PC控制的Beckhoff控制系統(tǒng)由于其無可比擬的優(yōu)勢為這一項目的開發(fā)提供了便利。
當(dāng)前，飛機(jī)、火箭等大工件加工作業(yè)時，場地狹小，工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，采用普通的固定機(jī)器人難以完成柔性加工任務(wù)。而且傳統(tǒng)的移動平臺的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，存在著轉(zhuǎn)彎半徑大、空間利用率低、運(yùn)動靈活性差、轉(zhuǎn)運(yùn)效率不高等諸多不利因素，嚴(yán)重影響了航空、航天工業(yè)等大工件的工作效率。而基于麥克納姆輪的全方位移動機(jī)器人技術(shù)卻可有效解決這一問題。
上海市智能制造與機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗通過Beckhoff控制系統(tǒng)先后開發(fā)了京劇機(jī)器人、生活服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人、六自由度并聯(lián)運(yùn)動模擬平臺等“自從2006年第一次接觸Beckhoff控制系統(tǒng)并應(yīng)用于機(jī)器人研發(fā)后，他們發(fā)現(xiàn)Beckhoff的基于PC控制技術(shù)對復(fù)雜算法編程具有靈活性、便利性，并能夠輕松集成Windows環(huán)境中的其它軟件以及自身的新算法。在Beckhoff基于PC的控制技術(shù)中，尤其是TwinCAT軟件具有實(shí)時性和快速性，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制，非常適合做機(jī)器人整套控制系統(tǒng)解決方案。Beckhoff 的產(chǎn)品系列涵蓋了從控制系統(tǒng)、端子模塊到伺服電機(jī)等各種產(chǎn)品。目前，我們的機(jī)器人設(shè)備配備了由PC、TwinCAT、EtherCAT I/O 和 EtherCAT 驅(qū)動器構(gòu)成的全套 Beckhoff 控制解決方案?！睂?shí)驗室郭帥副研究員介紹。“由于大工件加工設(shè)備通常都是定制設(shè)備和專用設(shè)備，這就要求在硬件的選擇和軟件的編程上需要有更高的靈活性，移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用CP2216一體式工控機(jī)做為控制和顯示系統(tǒng)。因特爾酷睿i5雙核處理器能夠滿足AGV小車的正逆解運(yùn)算、終端路徑插補(bǔ)運(yùn)算、視覺定位和激光定位運(yùn)算的要求。15.6英寸的多點(diǎn)觸控顯示屏以靚麗的外觀和卓越的性能為人機(jī)交互和操作提供了便利。由于使用EtherCAT總線，讓機(jī)器人能夠獲取更短的響應(yīng)時間，這也是機(jī)器人控制中具有決定性意義的優(yōu)點(diǎn)”
TwinCAT軟件為機(jī)器人與移動平臺的配合運(yùn)動提供保障
郭帥副研究員介紹道。“由于 TwinCAT 的靈活性，在軟件方面，我們可以靈活的加以發(fā)揮。全方位移動機(jī)器人的位置不是像往常一樣通過 NC 程序直接控制，而是通過 TwinCAT PLC 在軟件中控制。我們希望由 PLC 控制整個測試單元，為此編程了一個特殊功能塊，以便直接指定所有位置。例如，可以通過用于機(jī)器人示教的操作界面輕松移動到位并固定，而無需修改 NC 程序?！?/FONT>
在全方位移動機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)中，通常需要移動平臺與機(jī)器人相互插補(bǔ)配合完成某一軌跡的運(yùn)動。Beckhoff的TwinCAT軟件中豐富的運(yùn)動控制功能庫為實(shí)現(xiàn)移動平臺與機(jī)器人插補(bǔ)配合以及運(yùn)動的過渡銜接提供了便利。在軟件中采用虛擬軸與實(shí)際軸配合，利用多主軸耦合電子齒輪功能塊MC_GearInMulti等方式把復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)動簡化為電子齒輪的配合，順利實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行中過渡銜接的插補(bǔ)配合。
NC中的外部給定功能和Matlab接口為實(shí)現(xiàn)麥克納姆輪的復(fù)雜運(yùn)算提供便利
基于麥克納姆輪的全方位移動平臺由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)雜的控制算法后給予四個輪子電機(jī)不同的速度可以實(shí)現(xiàn)移動平臺完成前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)等全方位運(yùn)動。在傳統(tǒng)PLC中實(shí)現(xiàn)麥克納姆輪復(fù)雜的矩陣運(yùn)算是比較困難的事情，但是通過TwinCAT3軟件的TE1400組件可以把矩陣運(yùn)算放在Matlab中完成。首先在Matlab中把麥克納姆輪的算法做成有輸入輸出接口變量的功能塊，然后通過TwinCAT3的TE1400組件將SIMULINK代碼生成器的目標(biāo)配置為TwinCAT，生成可以集成到TwinCAT3環(huán)境的SIMULINK語言的TcCOM模型。最后在TwinCAT3軟件中加載TcCOM模型，利用TwinCAT軟件自帶的運(yùn)動控制功能塊和NC軌跡生成器可以生成小車的軌跡位置和速度，調(diào)用TcCOM模型中的麥克納姆輪算法功能塊就可以得到對應(yīng)電機(jī)輪子的角度和速度。最終通過TwinCAT的NC功能中的外部給定功能塊把每個周期時刻的電機(jī)角度和速度發(fā)給驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)全方位平臺的平穩(wěn)
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