礦用多工位氣動機械手設(shè)計

礦用多工位氣動機械手設(shè)計,礦用多工位氣動機械手設(shè)計,礦用多工位,氣動,機械手,設(shè)計 礦用多工位氣動機械手 附錄 1：外文原文 -39- 礦用多工位氣動機械手 -40- 礦用多工位氣動機械手 -41- 礦用多工位氣動機械手 -42- 礦用多工位氣動機械手 -43- 礦用多工位氣動機械手 -44- 礦用多工位氣動機械手 附錄 2：中文翻譯 基于 Web 的氣動機械手集成及其視覺定位研究 楊元趙 (楊元兆), 吳川宇 (武傳宇), 胡徐東 (胡旭東) (浙江理工大學(xué)綜合工程中心, 杭州 310018) 電子郵件: yyz121@sohu.com yyz121@sohu cywu@zist.edu.cn cywu@zist;xdhu@zist.edu.cn xdhu@zist 2004 年 5 月 8 日;2004 年 9 月 6 日接受修訂 摘要：氣動驅(qū)動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，主要用于開環(huán)相對簡單的任務(wù)。由于氣動系統(tǒng)的可壓縮性和很少的停止位置，它被認(rèn)為難以精確控制。運動控制系統(tǒng)。借助新開發(fā)的氣動伺服控制技術(shù)，采用伺服氣動位置控制器，與采用電液伺服系統(tǒng)一樣簡單。本文討論了基于web的伺服氣動機械手控制和目標(biāo)識別定位。建立了一個三自由度（3自由度）氣動機械手的伺服氣動閉環(huán)控制系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)在他們的實驗室?；赪eb的遠(yuǎn)程操作是在這個實驗系統(tǒng)的基本能力。該機器人通過安裝CCD攝像機、視頻采集卡及相關(guān)軟件，通過網(wǎng)頁識別出用戶指定的對象并找到其位置。遠(yuǎn)程用戶可以命令機器人移動到該位置并抓取該對象。網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵問題是集成混合動力。通過web開發(fā)開放式機電一體化系統(tǒng)，開發(fā)以腳本為特征的軟件語言環(huán)境。作者的實驗表明，氣動裝置可以作為精確的位置控制和通過網(wǎng)絡(luò)控制。 關(guān)鍵詞：伺服氣動控制，氣動機械手，視覺定位，網(wǎng)絡(luò)遙控 -45- 礦用多工位氣動機械手 法，限制了伺服氣動系統(tǒng)的應(yīng)用。這種情 簡介 況下結(jié)束了上個世紀(jì)末，當(dāng) FESTO 公司 提供其創(chuàng)新產(chǎn)品 spc-100 以及后來 spc-200 氣動裝置通常為空氣夾定位工作臺的 軸控制器。SPC 系列是開放式伺服氣動定 工具，因為它們可以在執(zhí)行器的響應(yīng)速度 位系統(tǒng)。隨著 winpisa 幫助，用戶可以配 高野范圍的權(quán)力轉(zhuǎn)移；而電伺服系統(tǒng)使用 置狀態(tài)反饋控制用以計算自動輸入的氣動 在伺服控制和精確定位控制領(lǐng)域的基本要 設(shè)備的基本尺寸和上信息的最優(yōu)參數(shù)和運 求，如在過程自動化和機器人技術(shù)。在這 行情況。在這種情況下，最終用戶不需要 些領(lǐng)域使用氣動技術(shù)有兩個局限性。第一 掌握控制技術(shù)和空氣動力學(xué)的專門知識。 個是大氣的可壓縮性，導(dǎo)致定位精確的困 他們只需要在 winpisa Windows 相關(guān)信息 難。另一個是氣缸的幾個停止位置。傳統(tǒng) 類型和獲得結(jié)果。這一系列減少了對人類 的氣動裝置只能在氣缸兩端停留穩(wěn)定。如 技能的要求，簡化了伺服氣動定位系統(tǒng)的 果一個應(yīng)用程序要求氣缸停在兩個以上位 使用，伺服氣動定位系統(tǒng)自那時起就已投 置，那么必須使用的多位置氣缸將增加整 入使用。SPC 軸控制器在機器人中的應(yīng)用 個機械和氣動系統(tǒng)復(fù)雜性。 已有很多。這個機器人可以和人握手。它 氣缸的運動速度可由節(jié)流閥在設(shè)定時 的頭、腰和手可以像人類一樣靈活地彎曲。 設(shè)定，并且在調(diào)節(jié)期間不能調(diào)節(jié)操作。當(dāng) 有 32 spc-100 軸控制器使用這個機器人。 我們在機械手等柔性控制應(yīng)用中使用氣動 另一個例子是浙江大學(xué)設(shè)計生產(chǎn)的書法機 設(shè)備時，這些限制是很大的障礙。有工程 器人，這是一個 3 自由度機械手，也可以 師和技術(shù)人員試圖在伺服控制系統(tǒng)中使用 用在涂膠、貼合，并用一個 spc-200 軸控 氣動裝置。但結(jié)果表明，它很難配置。如 制器控制。浙江科技研究院課題組對書法 果我們找不到氣動系統(tǒng)自動定位的解決方 機械手進(jìn)行了改進(jìn)，提高 案，基本上不能稱之為伺服氣動系統(tǒng)，即 了功能性，他們?yōu)檫@個系統(tǒng)增加了 使系統(tǒng)使用了大量的氣動裝置，控制順序 Web 可訪問性。這樣用戶就可以登錄 是由 PLC 設(shè)置的。在氣動伺服系統(tǒng)的研究 Internet 連接的瀏覽器，填寫 Web 提供的 可以追溯到 1980 年代，研究人員發(fā)現(xiàn)，氣 表單，并控制機械手的動作。 動系統(tǒng)最合適的控制算法的狀態(tài)反饋控制， 作者應(yīng)用他們的氣動機械手的研究成 問題是狀態(tài)反饋控制的最優(yōu)參數(shù)難以確定， 果，并增加了機器視覺系統(tǒng)。利用機器視 特別是對于最終用戶。最終用戶必須提供 覺，機器人可以識別被瀏覽器用戶指定的 所有系統(tǒng)信息，包括系統(tǒng)負(fù)荷、氣缸運行 對象，并確定對象的位置。然后，遠(yuǎn)程用 速度、系統(tǒng)的阻尼、氣缸的摩擦特性等。 戶可以命令操作器移動到特定位置并抓取 然后，制造商建立了工廠狀態(tài)反饋控制的 對象。 最優(yōu)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生變化時， 狀態(tài)反饋控制的最優(yōu)參數(shù)必須在出廠時重 新調(diào)整。伺服系統(tǒng)是一種費時、經(jīng)濟(jì)的方 -46- 礦用多工位氣動機械手 氣動機械手 氣動機械手是一個 3 自由度機械手 （圖 1）。所有的組件和傳感器是由費斯托公司生產(chǎn)，德國。主要特點是：X，直 徑。氣缸 32 毫米， 位移 400 毫米；Y，直徑。氣缸 20 毫 米，位移 250 毫米；Z，直徑。氣缸 20 毫 米，位移 150 毫米；靜態(tài)定位精度 0.05 毫 米；動態(tài)定位精度＜0.5 毫米。 對氣動機械手伺服控制系統(tǒng)如圖 2 所 示。 位于氣缸內(nèi)的位置傳感器。它用作信 號調(diào)理。對 X 軸比例方向控制閥的類型， Y 軸和 Z 軸是 mpye-5-1 / 8hf。各軸的線性 模塊 HMP 系列氣缸。在氣動機械手中，  三軸和框架內(nèi)的所有連接都是模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的。因此，氣動機械手的裝配非常簡單、方便、快捷。氣動機械手的硬件核心是伺服氣動定位系統(tǒng)。由費斯托有限開發(fā) spc-200 軸控制器，通過軸接口和比例方向 控制閥實現(xiàn)閉環(huán)控制，用于伺服氣動位置控制。對兩軸協(xié)調(diào)的特點進(jìn)行了優(yōu)化，通過增加一個獨立的軸運動，可以擴展到三 軸協(xié)調(diào)。標(biāo)準(zhǔn) I/O 包括 RS-232 串口用戶可以通過該程序 spc-200，他們也可以下載或上傳數(shù)控程序 spc-200 數(shù)控程序計算機。操作簡單、控制參數(shù)和編程 spc-200 設(shè)置可以通過控制面板而增強的編程可以用在 Windows 9x winpisa。winpisa 支持?jǐn)?shù)控編程符合 DIN 66025。User can also use serial commands to control SPC-200. 對于 spc-200 串口命令由一個指數(shù)，數(shù)值命令參 數(shù)和可選參數(shù)。 該命令包括所有操作的 spc-200，如：建立通信，讀取的位置，移動到的位置， 位置修改，程序控制，如果用戶想看 X 軸 的實際位置，機械手的 Y 軸和 Z 軸和 X 軸、Y 軸和 Z 軸吧，移動 200 毫米，為 100 毫米 50 毫米，為 spc-200 來完成這一過程的串行命令如下：1D1 / D1 手段讀取實際位置改變四 1C7 + 200 / / C7 意味著移動到 位置 100 4C7 2C7 + + 50 機器視覺定位 -47- 礦用多工位氣動機械手 機器視覺系統(tǒng)可以大大提高機器人的靈活性。作者在氣動機械手上添加的視覺功能能夠識別指定的物體并確定物體的位 置。本機器視覺系統(tǒng)，采用 CCD 攝像機 超動態(tài) iiwv-cp460 由松下公司制造的，日本和國家儀器有限公司開發(fā)的視頻采集卡 pci-1409 美國服務(wù)器。 由于圖像的單位是像素，它應(yīng)該轉(zhuǎn)化 為毫米的氣動機械手使用。CCD 相機與機器人平臺之間的距離決定了像素與毫米的 比值。我們在平臺上標(biāo)出 A 和 B 點。A 點和 B 點之間的實際距離是 100 毫 米。在計算機中可以很容易地計算圖像 a 和 b 之間像素單元的距離。最后我們得到的比率是 1 / 3.42 毫米/像素。  在（BX，是由在 XAY 的）′X′原點的坐標(biāo)，即原點的坐標(biāo) X″公司″XAY。 它們由 CCD 攝像機的位置決定，在該系統(tǒng)中分別為 278 毫米、83 毫米和 100 毫米。 因此，XAY 的變換之間的關(guān)系和 X″公司″ 是 如圖所示，賽組成的氣動機械手的坐標(biāo)，X″公司″包括計算機屏幕圖像的坐標(biāo)。通過′在賽X′坐標(biāo)映射到計算機屏幕，通過CCD攝像機，即X′′對應(yīng)的X″公司″。考慮到計量單位不同，通過′X″公司″和X′之間的關(guān)系 在?是像素毫米比，這里?= 1 / 3.42。 從圖 3b，變換矩陣 X 的′′和 XAY 之間可以描述如下：  基于 Web 的視覺定位 第 3 節(jié)中提到的機器視覺定位的所有操作都在圖像服務(wù)器中執(zhí)行。然而，為了 完成基于 Web 的交互操作，瀏覽器用戶應(yīng)該有能力指定目標(biāo)對象并獲得對象的位置。 為此，我們采取了以下策略：（1）定期刷 新網(wǎng)頁圖像，確保瀏覽器具有 CCD 攝像 機獲取的最新圖像；（2）瀏覽器用戶用本地圖像編輯工具編輯從網(wǎng)頁下載的圖像，并選擇目標(biāo)區(qū)域。 對象保存為模板映像文件；（3）將模板圖像文件上載到服務(wù)器。一旦服務(wù)器接收到一個新的模板映像文件，它就可以執(zhí)行圖像處理的其他步驟，并將結(jié)果返回給瀏覽器。 -48- 礦用多工位氣動機械手 基于 Web 的氣動機械手遠(yuǎn)程操 作  行命令和參數(shù)通過 RS-232 端口的 spc-200 派。圖 4 是業(yè)務(wù)流程圖。 這種執(zhí)行模式的關(guān)鍵問題是缺乏解釋腳本語言環(huán)境。這個環(huán)境還應(yīng)該具有基于 Web 的編程能力（程，1995）。CGI 程序 在基于 Web 的遠(yuǎn)程操作，具有一定的硬件和軟件的特殊要求?；旧?，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作所使用的硬件應(yīng)該是開放式架構(gòu)。也就是說，硬件應(yīng)該有定義良好的行為和定義良好的關(guān)系。 根據(jù)定義，一個開放的體系結(jié)構(gòu)提供對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的開放訪問。在軟件開發(fā)環(huán)境中，腳本特性是最基本的需求。不可能對 應(yīng)用程序進(jìn)行編程，然后在基于 Web 的應(yīng)用程序中編譯、鏈接和運行它。在 spc-200 軸控制器的情況下，其硬件滿足開放式體 系結(jié)構(gòu)的要求。它有一個標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 串口。用戶可以到達(dá)內(nèi)部命令寄存器和控 制數(shù)據(jù)。但 WinPISA 的編程環(huán)境是不適合直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。它是基于 Windows 的應(yīng)用程序環(huán)境，不包含腳本特性。用戶 不能回調(diào) winpisa 的命令在網(wǎng)上直接。如果用戶希望能夠使用腳本的網(wǎng)頁直接，程 序和 spc-200 運行環(huán)境必須重建。本文作者對氣動機械手進(jìn)行了改進(jìn)。在開發(fā)了相關(guān)的動態(tài) 加載庫和函數(shù)后，氣動機械手可以通過網(wǎng)絡(luò)控制。用戶可以登錄到氣動機械手的網(wǎng)頁，填寫坐標(biāo)數(shù)據(jù)和描述運動路徑的 參數(shù)，然后點擊“運行”按鈕。Web 瀏覽器將傳輸數(shù)據(jù)。 用戶使用 CGI（公共網(wǎng)關(guān)接口）編程 向 Web 服務(wù)器填充。得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和參數(shù)后，服務(wù)器啟動腳本程序，然后通過串  將數(shù)據(jù)傳送到運行在 后臺數(shù)據(jù)在 Web 上填寫。腳本程序然后編碼接收數(shù)據(jù)并稱為通信功能為 spc-200 串行命令傳輸。所有這些工作都應(yīng) 該在一個獨特的語言環(huán)境中完成。在我們 的實驗中，我們選擇了 CH 語言作為實驗 和執(zhí)行環(huán)境。CH 是一個擴展和最流行的 Unix 和 Windows 的計算環(huán)境增強（soft integration Inc.）。作為 C 語言解釋器的超集，CH 保留 C 的低級別的功能接口硬件。由于 CH 是作為 shell 實現(xiàn)的，所以現(xiàn)有的實用程序和 C 程序的大量集合可以很容易地用于機電一體化系統(tǒng)的集成。 命令和腳本是集成機電一體化系統(tǒng)的基本構(gòu)件。內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)功能，如伯克利套 接字和限制/安全 CH 外殼為機電遠(yuǎn)程操作提供了靈活性和安全性。CH 被設(shè)計成特別適合于基于 Web 的客戶機/服務(wù)器計算。 CH 程序可以用于 Web 服務(wù)器中的公共網(wǎng) 關(guān)接口，也可以作為通過 Web 瀏覽器執(zhí)行的動態(tài)小程序。 -49- 礦用多工位氣動機械手 CGI 程序可以用任何語言編寫，它允 許在 Web 服務(wù)器所在的主機上執(zhí)行。目前最常用的 CGI 語言是 C 和 Perl。CGI 程序 編寫的 C 或 C++通常要經(jīng)過編譯和鏈接在一起。這些編譯的程序很難修改和維護(hù)。 因此，許多人喜歡用 Perl 編寫 CGI 程序，它是解釋性的，類似于 C 語言。CH 也可以直接用于公共網(wǎng)關(guān)接口，不需要編譯。 更重要的是，它可以保存大量的現(xiàn)有 C 程 序。在 CH 環(huán)境中，它包含幾個用于 CGI 編程的類。這些類提供了方便的機制對公共網(wǎng)關(guān)接口。作者建立了一個動態(tài)鏈接庫 調(diào)用內(nèi)部 CH 語言 libspc.dl。這個庫包含了常見的通信函數(shù)。 spc-200 和計算機之間的支持信息的變化。 所有函數(shù)都可以直接調(diào)用 CH shell 作為內(nèi) 部函數(shù)（程和胡，2000）。  程機械手進(jìn)行識別和定位；（2）氣動裝置可以采用伺服氣動作精確的位置定位系統(tǒng) 控制；（3）可以通過網(wǎng)絡(luò)控制 實驗結(jié)果和結(jié)論 建立了實驗網(wǎng)頁中圖所示的氣動機械手遙操作。本頁鏈接到跨網(wǎng)。在這個實驗 中，用戶登錄到 Web 頁面，編輯目標(biāo)對象的圖像，并將其上傳到服務(wù)器。操縱臺上所有物體的位置都會出現(xiàn)在網(wǎng)頁上。因此，用戶可以填寫軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和目標(biāo)物體的 位置。x，y 和 z 是軌跡中點的坐標(biāo)。v 是 速度，SIS 是機械手末端執(zhí)行器的狀態(tài)，1 表示開關(guān)，0 表示關(guān)閉。點擊“提交”按 鈕，氣動機械手將抓住指定的對象，沿著定義的路徑移動。 通過前面的研究和實驗，我們可以得 出以下結(jié)論：（1）用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn) -50- 礦用多工位氣動機械手 -51-