四自由度SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬

四自由度SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬,自由度,scara,機器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計,運動,模擬,摹擬 敏捷制造的輕型作業(yè)單元設(shè)計機械應(yīng)用 羅杰D ·奎因，格雷格三考西 機械系和航空航天工程 弗蘭克，戴維M ·薩金特，尼古拉答B(yǎng)arendt 紐曼，維爾吉利奧Velasco 電機工程學(xué)系與應(yīng)用物理系 安迪Podgurski，菊妍喬 Leon S. Sterling, Yoohwan Kim 計算機系工程與科學(xué) 凱斯西儲大學(xué)（CWRU） 美國俄亥俄州克利夫蘭，44106 摘要：本文介紹了一種靈活的設(shè)計用于制造工作單元光機電從類似的產(chǎn)品的裝配部件（即作出部分零件）。我們定義了敏捷制造能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從裝配一個產(chǎn)品到另一個產(chǎn)品的裝配?？焖儆布D(zhuǎn)換成為可能，通過使用機器人，靈活的裝配部分，模塊化夾子機模塊化裝配硬件。依靠靈活的饋線上料皮帶和二進制計算機視覺構(gòu)成估計。這明顯的優(yōu)勢超過nonflexible如碗飼養(yǎng)的飼養(yǎng)計劃需要大量的調(diào)整從一個轉(zhuǎn)換另一部分。正在快速轉(zhuǎn)換軟件促進了一個真正的一次性使用的，面向?qū)ο筌浖h(huán)境，模塊化的軟件，圖形為離線模擬軟件的開發(fā)，以及創(chuàng)新的雙控制器結(jié)構(gòu)VME總線。這些靈活的功能允許將引進新產(chǎn)品最小的停機時間和系統(tǒng)重構(gòu)。 1．簡介 1.1什么是敏捷制造？ 敏捷制造是一個長期見過增加了過去幾年中，工業(yè)使用。該“敏捷“的定義，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一個制造商的措施突然的反應(yīng)能力，不可預(yù)測的變化客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)，使一利潤“1。 “今天工廠正在陸續(xù)被在裁縫敏捷貨物交給客戶的要求不停產(chǎn).. 2．敏捷制造 同化物的柔性生產(chǎn)全系列技術(shù)，以吸取的教訓(xùn)以及總質(zhì)量管理，'只是在時間的生產(chǎn)和'精益'生產(chǎn)“3。唯一的共同點之一各種定義是能夠制造出多種對什么可迅速為基礎(chǔ)的類似產(chǎn)品不斷變化的客戶需求。在過去，生產(chǎn)專門針對大批量單一生產(chǎn)產(chǎn)品。在今天的市場，然而，重點是對小批量移動從不斷變化的，客戶驅(qū)動的產(chǎn)品線。 圖1：敏捷作業(yè)單元 一個“敏捷“制造的定義已通過適用于光機電裝配產(chǎn)品：敏捷制造是有能力完成快速轉(zhuǎn)換之間的不同制造利用基本相同的組件工作單元?？焖俎D(zhuǎn)換（以小時為單位），此外，被定義為移動能力的一個產(chǎn)品，從大會 另一種產(chǎn)品裝配與最低的變化工具和軟件?？焖俎D(zhuǎn)換使生產(chǎn)小批量，讓'只是在時間'生產(chǎn)。我們的“敏捷“的定義的中心主題制造業(yè)是能夠迅速推出（按星期計算）為新的組件和部件系統(tǒng)。 在這個系統(tǒng)中，快速完成轉(zhuǎn)換通過可重復(fù)使用的軟件的使用，快速變化該機械手夾持器，模塊化工作表和部分饋線其中有足夠的彈性處理，而無需機械零件的幾種類型調(diào)整。這些饋線使用視覺，在硬地夾具，以確定位置和方向部分。通用，可重復(fù)使用的例程允許新的部分視力被添加到具有最低系統(tǒng)的努力。 一個實施一個靈活的測試平臺已開發(fā)生產(chǎn)工作單元（圖1）。這包括機械機器人，靈活的部分進料器，視覺系統(tǒng)（攝像機，圖像采集，并庫中的圖像處理程序），以及有限傳感器和執(zhí)行器專用所需人數(shù)完成一個給定的程序集。這樣一個核心特征工作單元是一個控制器控制每一個有能力的上述組件。 該工作單元是中央輸送系統(tǒng)，這是博世實現(xiàn)使用標準的硬件。這是負責轉(zhuǎn)移部分完成組裝機器人之間進行成品和單位一卸貨機器人的機器人安裝在基座附近輸送帶系統(tǒng)。托盤與專業(yè)部件固定裝置是用來在整個集會進行系統(tǒng)完成后，該組件將被刪除從托盤的裝卸機械。最后，安全籠包圍整個工作單元，服務(wù)保障 運營商以及提供用于安裝的結(jié)構(gòu)開銷相機。 2.1輸送系統(tǒng) 輸送機系統(tǒng)在CWRU使用工作單元是一個模型T2的博世制造。托盤在兩個主要傳閱，輸送線。這些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盤轉(zhuǎn)移這兩者之間部分由電梯傳熱單元（LTU的）的手段。這些允許各地輸送托盤流通系統(tǒng)和重新排序能力的托盤。在系統(tǒng)托盤的每個都有一個獨特的識別號碼，使系統(tǒng)跟蹤和直接的進展。止損是安裝在關(guān)鍵輸送機上的點來控制托盤的流量。這方面的一個創(chuàng)新的輸送系統(tǒng)使用的是使用短“骨刺線“。一種鞭策（圖2）是一個單純的延長輸送機，垂直為主線（類似于鐵路支線）。這允許流主輸送線，而要維持一個機器人執(zhí)行組裝在鞭策。托盤進入一個刺激注冊在機器人的世界由一個坐標系 臂安裝攝像頭，允許地方或機器人消除對托盤零件，避免犧牲機械登記 2.2裝配站 大會的幾個車站的布局進行了分析在選擇最終布局。在評估了幾個每一個布局功能，包括：展示位置相對于機器人輸送機，給料機的影響相對于機器人的位置工作信封，并機器人動作一個通用大會的必要，這是確定，在圖2最適合的布局需要的工作單元。每一個裝配機器人是由兩個包圍模塊化，可移動工作臺和兩個固定喂養(yǎng)表（圖2）。模塊化表很容易交換，允許專門組裝硬件放置在機器人的工作信封。表中包含的模塊化和氣動執(zhí)行器可連接快速電傳感器，允許任何專門工具迅速變化需要一個給定的程序集。通過設(shè)計這些表是模塊化和易于交換，不同的裝配硬件可以快速入住。為了實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，模塊化工作登記表在機器人的世界坐標在同一系統(tǒng)由于托盤的方式（即使用臂安裝攝像頭）。進料表是固定的，與水平，partsfeeding輸送機安裝到他們。 圖2：工作站布局 輸送機的一個缺點/刺激系統(tǒng)，如上所述，必須充分交流的時間托盤為一個空的。在這段時間（約15秒）的機器人將可以想象無效。一簡單的解決這個問題是一個迷你倉：一夾具是位于交換部分的工作表來保存一些完成組裝。在一個托盤互換，裝配機器人可以繼續(xù)運作而傳入的工作托盤到達時，放置在迷你倉完成組裝。后來電轉(zhuǎn)移到托盤的刺激，視覺系統(tǒng)寄存器的托盤。該機器人將當前的大會（在其爪仍）托盤上，然后所得款項將完成從組件迷你倉的托盤。 2.3喂料機柔性件 每個支線組成（圖三傳送帶3）。第一輸送機傾斜，從電梯部件散裝料斗。第二輸送機是水平的，具有半透明帶。它傳輸?shù)綑C器人零部件，呈現(xiàn)在附近的機器人underlit節(jié)。該第三輸送機返回未使用的或不利的導(dǎo)向到大型料斗部分。 正確地運作取決于饋線部分被取消的散裝料斗中quasisingulated方式。許多因素影響效益傾斜輸送機：對角輸送到水平方面，皮帶特性（如摩擦系數(shù)），對帶式（防滑，磁力，真空），以及線速度帶，例如。 圖3：靈活澆注系統(tǒng)示意圖 當不同的零件，應(yīng)美聯(lián)儲，散裝料斗清空，并與新的部件填補。如果部分是類似的幾何形狀，進料沒有變化系統(tǒng)通常是必要的。一些地區(qū)，如圓形或圓柱的（即那些將回滾下來傾斜）可能需要不同的腰帶，如表面，防滑一個或一個不同的角度傾斜。架空相機用于定位部件對水平輸送機。一種緊湊型熒光燈陣列燈是安裝在每個輸送機的水平。用半透明的這些燈一起輸送帶提供underlit領(lǐng)域，部分可向視覺系統(tǒng)。使用二進制視覺工具（目前上料機由一個熟練的視覺系統(tǒng)提供）部分皮帶進行檢查。首先，視覺系統(tǒng)會查看是否一部分是抓握（即部分承認的是，穩(wěn)定姿態(tài)（位置和方向）和足夠的間隙之間存在的一部分，它的鄰國抓住了它爪）。第二，造成了部分在機器人的世界坐標確定。這個姿勢，和動作與收購相關(guān)的部分，是檢查，以確保他們在機器人的工作信封。 2.4視覺系統(tǒng) 視覺系統(tǒng)的一個基本功能是確定靈活的組件構(gòu)成部分喂養(yǎng)。姿態(tài)估計是使用內(nèi)置該AdeptVision軟件功能，而且必須要快夠不干預(yù)裝配周期時間。一對視覺系統(tǒng)的第二功能是登記托盤和模塊化的工作表到機器人的世界坐標系統(tǒng)，避免了調(diào)整的需要硬件。還有另一種可能是使用錯誤恢復(fù)，其中，該相機可以用來檢查臨界點在系統(tǒng)中，或在進程內(nèi)組件。 該視覺系統(tǒng)使用的標準數(shù)字CCD相機，裝配件或以上的靈活饋線或在機器人手臂。由于數(shù)字相機到AdeptVision系統(tǒng)的投入是有限的四個，一個低成本，自定義視頻多路復(fù)用器的開發(fā)，利用一單片式視頻切換器集成電路。這使得多達四臺攝像機被連接到每個視頻輸入法視頻硬件。 在與快速轉(zhuǎn)換保持理念，視覺程序設(shè)可重復(fù)使用，這是一個給定的常規(guī)，可用于定位幾個不同但相似的部分（即類似計為不對稱性，拓撲結(jié)構(gòu)等）。這種方法有很多優(yōu)勢，包括盡量減少軟件的數(shù)量例程。此外，該軟件允許重復(fù)使用模塊化和“敏捷。“例如，通過參數(shù)化特征例行搜查因為，它可以適用于部分有一個類似的個人資料但屬于不同的大小。這意味著，部分與在這些類似的幾何形狀零件庫，可添加到系統(tǒng)中，只需修改檢查程序調(diào)用這些低層次的，可重復(fù)使用的例程， 2.5引進的新零件 添加一個新的一部分，該系統(tǒng)涉及數(shù)明確任務(wù)。愿景例行這就決定了構(gòu)成的一部分，開發(fā)，利用圖書館可重復(fù)使用的視覺例程。如果新的部分似乎沒有別的地方特色，在零件圖書館，新的程序可能需要添加到軟件庫。此外，如果部分沒有被設(shè)計為使用通用零部件饋線（例如它沒有穩(wěn)定的姿勢像，缸），可能需要的饋線變更或腰帶改變傾斜角度。引人入勝還必須旨在操縱新的一部分。為了盡量減少避免了專門的硬件和工具的變化大會，手爪設(shè)計應(yīng)進行與其他部件的設(shè)計，同時為抓手聚集在一個給定的機器人。舉例來說，如果給定操作既需要一個一個小部件和組件是一個B在第一個機器人組裝，設(shè)計人員應(yīng)手爪考慮到這一點 在一般情況下，最好是設(shè)計的部件和相關(guān)的硬件同時進行。這將使最大程度地重用的軟件，以最小的變化靈活的體制和喂養(yǎng)一個強有力的裝配設(shè)計序列，將加強無人操作。這方法稱為設(shè)計制造及Assembly7，或者干脆DFMA。 3 計算機硬件/控制器設(shè)計 目前的軟件已被完全開發(fā)在V8編程語言和操作系統(tǒng)，在嫻熟的MV控制器。對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，這將是編程環(huán)境足夠的，但它缺乏動力和靈活性需要支持快速的軟件開發(fā)和轉(zhuǎn)換。這主要是因為V+缺乏特色這是標準的其他語言和操作系統(tǒng)系統(tǒng)，如用戶定義函數(shù)，標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和shell腳本的執(zhí)行。To circumvent these limitations, a more廣泛的控制器接口的設(shè)計工作已發(fā)展。這將允許系統(tǒng)來支持C和的C ++，并提供一個更友好，更靈活的用戶接口。此外，它將允許實時使用操作系統(tǒng)，從而簡化軟件開發(fā)和提高性能。 圖4：系統(tǒng)架構(gòu) 在這個設(shè)計中，系統(tǒng)的能力擴大了使用除第二VME總線VME總線控制器壓（圖4）。這第二個VME總線房子的I / O板和專用??單板計算機（SBC的），對其中一個實時操作系統(tǒng)執(zhí)行C和C++程序?qū)BC的運行的。負責所有高層次的控制和機器人運動（例如：輸送機控制，氣動操作，指定機器人目的地），而采用壓控制器專為低級別的機器人運動（如伺服控制和軌跡生成）和一些機視覺例程。在以后的實現(xiàn)，這是視覺處理板，也可以用在第二VME總線，從而充實了AdeptVision系統(tǒng)。兩個總線連接電纜或光纖連接。內(nèi)存所做的更改由一個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。這包括兩個內(nèi)存卡，各有一個總線，它可以由連接的 一板會自動反映，另一方面，從而允許指令和數(shù)據(jù)傳送之間兩個buses9。巴塞爾公約秘書處的地點可以使機器人對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想命令。這些都是宣讀了命令組服務(wù)器上運行MV的控制器。這些服務(wù)器執(zhí)行命令并在適用時，返回相同的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)。 4 作業(yè)單元軟件 另一個軟件是一個靈活性的關(guān)鍵敏捷制造工作單元，但是，這種靈活性不來而精心設(shè)計。盡管軟件本質(zhì)上是比硬件更容易改變，結(jié)構(gòu)一個軟件系統(tǒng)可以降低，經(jīng)過反復(fù)修改，導(dǎo)致可靠性差，并增加維修費用。在設(shè)計工作單元控制軟件方面，我們聘請軟件工程方法和工具支持的設(shè)計原則改變。特別是，我們最新的設(shè)計是面向?qū)ο螅∣O）的，也就是說，它是根據(jù)物體的識別該系統(tǒng)，這是這些實體有一個國家和一個行為。物理設(shè)備，抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)整個子系統(tǒng)建模為對象，提供，明確設(shè)定服務(wù)時，其執(zhí)行封裝和隱藏。強調(diào)面向?qū)ο筌浖O(shè)計減少了工作量需要引入進入新的工作單元產(chǎn)品通過可重用的代碼。 能夠迅速引入新產(chǎn)品工作單元是至關(guān)重要的一個靈活的系統(tǒng)。對象類型或類類構(gòu)造，其中服務(wù)對應(yīng)memberfunction的定義使用C + +電話。新的類派生自現(xiàn)有通過增加的服務(wù)或通過覆蓋實現(xiàn)現(xiàn)有服務(wù)。面向?qū)ο蟊阌诰S護，因為一個實施類是可以改變的，而不會影響客戶端代碼，使用類的服務(wù)，因為派生類可以可用于任何需要它的父類即可。除了滿足我們的要求特別是制造業(yè)中的應(yīng)用，我們希望指定軟件設(shè)計的組件，可能證明有用敏捷制造各種應(yīng)用。因此，我們試圖確定敏捷設(shè)計模式制造業(yè)。設(shè)計模式是一組溝通的對象或類，兩者代表一個可重復(fù)使用的設(shè)計元素，是適用的，經(jīng)過一番專業(yè)化，一systems10品種。到目前為止，我們已經(jīng)確定用于這種活動的設(shè)計模式整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)之間的通信元器件，零部件和組件的規(guī)定，調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)和錯誤處理。 4.1作業(yè)系統(tǒng) 該工作單元控制的最初版本軟件實施了與V+操作系統(tǒng)和編程語言提供了善于壓控制器。雖然為V +提供了足夠的設(shè)施許多機器人應(yīng)用，我們確定一個更先進的操作系統(tǒng)和編程語言將更好地支持我們的軟件設(shè)計理念和敏捷制造的目標。一般來說，工作單元控制涉及的號碼管理實時限制并發(fā)任務(wù)。因此，一實時操作系統(tǒng)（RTOS）的足夠和任務(wù)調(diào)度，通信和可靠的設(shè)施同步是可取的。 4.2軟件體系結(jié)構(gòu) 該工作單元控制軟件被設(shè)計成一個層次結(jié)構(gòu)的服務(wù)器。在最高水平，工作單元控制器的服務(wù)請求人的經(jīng)營人包裝箱成品組件。在這樣做時，到托盤服務(wù)器沿著托盤輸送機馬刺之間。托盤服務(wù)器跟蹤運動每個托盤，但工作單元控制器負責知道托盤內(nèi)容。該工作單元控制器大會的服務(wù)器，這都與要求機器人，以填補部分或全部組件托盤。為了滿足這些要求，大會的服務(wù)器必須部分下屬與服務(wù)器進行通信以及與機器人和專用硬件。的部分反過來服務(wù)器必須與零件饋線和通信與視覺系統(tǒng)。一般來說，服務(wù)器的設(shè)計作為對整體工作單元一些假設(shè)如可能的結(jié)構(gòu)，使他們不敏感該結(jié)構(gòu)的變化。在適當情況下，服務(wù)器同時運行，例如，同時增加了一個機器人部分集會，該部分服務(wù)器嘗試設(shè)在機器人的未來預(yù)期另一部分 錯誤的處理，也是分層的。如果一臺服務(wù)器遇到一個錯誤，它首先試圖解決這個問題在當?shù)?，例如，通過使更多的要求下屬服務(wù)器。如果失敗，服務(wù)器表明它的客戶端它無法提供所要求的服務(wù)?？蛻舳巳缓笤噲D解決這個錯誤條件。作為一個具體例如，考慮一個部分服務(wù)器無法找到一部分在其遠景窗口。它會一再提前給料機和拍照。如果沒有部分是內(nèi)發(fā)現(xiàn)一一定數(shù)量的重復(fù)，將報告的部分支線大會未能服務(wù)器。如果沒有多余饋線部分，它可以調(diào)用，服務(wù)器將在大會信號發(fā)生故障的工作單元控制器。在缺乏冗余服務(wù)器的組裝問題，釷控制器將問題通知，要求經(jīng)營者人為干預(yù)。魯棒，容錯軟件必要的無人值守，操作的工作單元。4.3作業(yè)單元模擬隨著軟件開發(fā)進展同時隨著硬件建設(shè)系統(tǒng)，可以明顯看出一個仿真硬件系統(tǒng)預(yù)計將是極為有益的。該決定是為了開始發(fā)展全面的仿真，將允許工作單元控制代碼被開發(fā)和測試，而不使用實際硬件。這允許控制軟件來編寫和調(diào)試沒有制止生產(chǎn)功能工作單元。它也非常有用，以顯示圖形硬件的響應(yīng)（圖5）特別是研究各種工作單元布局。， 圖5：TELEGRIP模擬 輸送系統(tǒng)已完全模擬。詳細的仿真機器人和遠見系統(tǒng)正在開發(fā)中。仿真代碼模仿的工作單元的輸入和輸出，使為模擬透明地使用。換句話說，在代碼是用來模擬控制的工作單元是相同的代碼運行在同一處理器板用于控制物理設(shè)備。這是一個功能強大的工具軟件設(shè)計中不存在任何矛盾控制與仿真代碼和實際控制代碼。這消除了移動可能移植問題從模擬到實際控制平臺 5．結(jié)論 本研究成功驗證的關(guān)鍵問題對于一個敏捷制造工作單元的設(shè)計。柔性件饋線，機器視覺，模塊化硬件，廣泛的控制器接口，在線糾錯，圖形模擬和模塊化的軟件都一個廣泛實施的重要因素。在繼續(xù)工作，該系統(tǒng)正在擴大模塊化的程序，包括視覺，一個實時的使用操作系統(tǒng)，面向?qū)ο缶幊蹋瑥V泛的錯誤檢測和恢復(fù)。產(chǎn)品設(shè)計制造和裝配也將發(fā)揮關(guān)鍵作用在促進攝食，裝配，并造成估計。 參考文獻 [1].P.M.Noaker。敏捷制造的搜索。制造工程，30:28-42，1993。 [2].河科默福德。靈活的工廠：個案研究。電機及電子學(xué)工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993.. 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