虚拟仿真技术在装配机械手控制系统中的应用

郝雷，高月华，李亚朋，万真真

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定　071002)



虚拟仿真技术在装配机械手控制系统中的应用

郝雷，高月华，李亚朋，万真真

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定071002)

结合虚拟现实技术与电气控制技术，针对装配生产线的特点和控制要求，开发了一套虚拟仿真系统，可用于系统监控、调试和人员培训.利用罗克韦尔软件编写电气控制程序，通过RSTestStand软件搭建机械手自动装配系统的3D虚拟仿真模型，并基于虚拟可编程控制器(PLC),实现了直线型、余弦-直线型速度曲线调速方案在虚拟仿真对象上的应用.虚拟仿真对象的动作视觉效果和监控曲线表明，控制系统工作良好，通过在机械手各动作的启停、加减速、匀速转换时引入余弦调速方案对速度控制进行优化，有效减小机械臂关节的震动和顿挫，取得了较好的动作流畅性.

虚拟仿真；装配机械手；调速

装配机械手广泛应用于工业生产，是机电一体化集成度较高的执行器，涉及机械设计、电气控制、人工智能等多种学科[1].机械手虚拟仿真系统可完成人员培训、监控等任务，在提高效率、节省成本方面意义较大.虚拟仿真是指用一个虚拟系统模仿另一个真实系统[2]，是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验[3].虚拟仿真技术已经应用到了数字城市、场馆仿真、工业仿真、汽车仿真、水利电力等方面[4].把控制系统中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的虚拟仿真过程，能够让使用者更好地了解系统中各元器件之间的关系，可更好地决策，直接获得系统的动态和静态特性[5].当今虚拟场景下机械手的运动、控制仿真成为热点研究问题,国内的研究集中在虚拟仿真机械手的设计、建模、动力学分析[6]，但鲜见其应用于工业辅助设计和职业技术培训中[7].而国外在机械手虚拟仿真技术的相关应用领域做出了突出成绩，加拿大国家研究院利用虚拟仿真技术开发的触觉反馈的机械臂已成功在医院培训神经外科医师中应用[8],同时美国爱荷华州立大学也在研究虚拟仿真机械手上使用基于阻抗的触觉力产生方法[9]，在医疗康复领域意大利那不勒斯大学利用虚拟仿真研制了轮椅机器人，用来采集实验数据和残障人士的一些感受、意见，具有安全、成本低、再现性好、对干扰的鲁棒性强等特点[10].

本系统可用于培训自动化技术人员，也可帮助设计人员用于机械手的设计开发，采用罗克韦尔RSLogix 5000软件编写生产线及装配机械手控制程序，并下载到由RSLogix Emulate软件虚拟的PLC中；使用RSTestStand软件搭建三自由度机械手自动装配系统的3D仿真模型；通过RSLinx Classic软件，建立RSLogix Emulate和RSTestStand之间的数据通信，完成了基于PLC和3D对象模型的机械手虚拟仿真控制系统，结合三角函数曲线和梯形曲线，实现了余弦-直线型速度曲线在传送带及机械手臂升降、水平旋转、伸缩运动上的应用,有效减小机械手的振动幅度.

图1　虚拟仿真系统总体结构Fig.1　Schematic diagram of virtual simulation system

1　系统总体结构

为保证系统兼容性，采用罗克韦尔控制器、配套模块及软件，如图1所示，使用RSLogix 5000分别编写机械手模型的底层控制程序和动作仿真程序及调速程序，通过RSTestStand软件制作出机械手装配生产线实验设备的3D仿真模型，通过RSLinx Classic的OPC接口连接到PLC的变量标签上，建立由RSLogix Emulate虚拟的PLC与仿真模型的通信.系统在3D场景下可以完成装配生产线中配件的运送、检测、入库存储，其中装配机械手可做升降、伸缩、旋转和抓取动作.

2　搭建模型及控制系统实现

2.1建模过程

RSTestStand软件中机械手自动装配生产线3D仿真模型搭建步骤如图2所示.第1步创建一个新项目后，选择菜单栏上的Scence，添加一幅新的3D场景视图；第2步在其中双击添加的图形，设置图形的大小、位置、颜色等属性；第3步双击要定义变量的设备资源，添加新的标签，并对标签的名字、类别、初始值等进行设置；第4步选择Logic View，打开流程图编辑器，写入需要实现的程序语句；第5步右击需要连接变量的图形，在Object里面点击Variable Controls，实现变量控制图形属性，把相应的变量拖拽到要控制的图形属性上面；第6步点击工具栏的仿真按钮，观察运行效果.

2.2机械手控制程序流程

程序开始运行，当配件到达指定位置时，位置检测传感器的常开触点被触发，机械手臂开始动作，手臂下降、抓取配件、手臂和配件上升、手臂和配件旋转、伸臂、手臂下降、释放配件，机械臂动作完成，配件放在槽上，配件和槽向仓库运动，机械手装配控制流程如图3所示.同时机械手臂动作复位准备抓取下一个配件.机械手臂的底层控制程序还完成机械手动作的互锁，以保证上一个动作确实完成后下一个动作再进行.

图2　仿真模型搭建步骤Fig. 2　Steps of building the simulation model

图3　机械手装配程序流程Fig.3　Program flow chart of Manipulator assembly

2.3控制程序设计及调试

仿真控制、底层控制、速度控制等电气控制程序由RSLogix 5000编写，由虚拟PLC执行.使用RSTestStand建立虚拟被控对象系统，本文中为保证程序可读性，虚拟对象使用与电气控制系统中一致的系统变量标签.RSLinx提供的OPC接口，使得以上所述的控制程序与虚拟对象能够相互通信.因此，由PLC控制并执行配件和槽的出仓、位置传感器检测及显示、输送带传送、机械手装配、成品入库等工步，实现了与虚拟环境中虚拟生产线的同步.

仿真模型与实际设备存在差异，梯形图编写过程中，仿真程序被开发为独立的模块以期实现实际设备中的各个传感器功能，如机械手臂是否抓取到位、装配时货物是否到位等，进而编写机械臂的动作，如上升、下降、旋转等.模块中主要运用定时器及互锁确定每个动作的定位和准确性及可操控性.

虚拟仿真装配生产线控制系统，各单元动作协调到位，机械手先后抓取2种不同形状的配件，无互相干扰而造成的动作缺失或混乱现象.

3　调速优化

生产线上的设备有不同运动速度要求，传送带运行和机械手抓取产品时，急速启停或抖动，易出现产品碰撞或其他意外事故，造成不必要的损失.为平滑执行器运动速度，将余弦规律引入直线调速中，并在3D虚拟仿真对象中实现了直线型和余弦-直线型调速曲线对比实验.

设计中机械手旋转角度大、时间较长，采用如图4所示的调速方案较为合理，而升降、伸缩运动距离小、时间短，则考虑选用如图5所示的调速方案.以上2种调速方案可根据控制要求，选取相应的标准余弦曲线的最大速度，角速度和运行过程中的最大速度，进而可确定速度曲线各阶段的特征点参数，如延迟时间tA、上升时间tB、峰值时间tC等.

为进行对比实验，首先实现了优化速度曲线方案，程序中通过改变加速时间和最大运行速度，本文实现了5种余弦-直线型曲线，调试结果如图6所示.机械手中速旋转曲线和快速旋转曲线相比较，最大速度一样，但是加速减速时间不同；中速旋转曲线和慢速旋转曲线的加减速度时间相同，但中速的最大速度是慢速旋转的2倍；机械手伸缩动作和升降动作均没有匀速阶段，加速和减速时间相同，伸缩动作的最大速度是升降速度的2倍.

图4　长型余弦直线型速度曲线Fig. 4　Long type cosine linear velocity

图5　短型余弦直线型速度曲线Fig. 5　Short type cosine linear velocity curve

图6　调速优化曲线簇Fig. 6　Curves of speed optimization contorll

结合底层控制程序，先将直线型调速方案施加于3D虚拟仿真机械手上，通过RSTestStand监控，结果如图7所示，经过多次调试，旋转、伸缩、升降的上升时间分为3 000 ms、2 000 ms、2 000 ms，最大速度分别为0.5、0.19、0.1 m/s，消除了匀加速与匀速转折点的波动，但通过视觉观察其效果，机械手动作较僵硬.

采用优化的余弦-直线型曲线调速方案，并根据装配机械手动作特点，旋转动作选取中速余弦直线型曲线，伸缩动作、升降动作分别选取快速和慢速余弦型曲线，上升时间与速度参数值与直线型调速方案一致，系统实际运行结果如图8所示，余弦-直线型调速方案下的机械手运动速度曲线平滑、无波动，机械手动作3D视觉效果的表现更柔顺逼真.

图7　机械手直线型运动速度曲线Fig.7　Manipulator's speed curves of linear motion

图8　机械手余弦直线型运动速度曲线Fig.8　Manipulator's speed curves of cosine motion

4　结论

构建了一套基于虚拟现实和电气控制的装配生产线控制系统，通过引入余弦-直线型调速曲线以平滑装配机械手各关节的运动速度，减小其抖动对抓取物产生的不利影响.通过在速度曲线的转折点处调用余弦规律程序施加于机械手各关节执行器，实现变频调速的优化，余弦与直线的衔接点无振动.实验结果表明，虚拟仿真机械手的实测速度曲线平滑，视觉效果流畅自然，实现了预期目标.

[1]陶湘厅,袁锐波,罗碌.气动机械手的应用现状及发展前景[J].机床与液压,2007,8(8):226-228.DOI：10.3969/j.issn.1001-3881.2007.08.078.

TAO X T,YUAN R B，LUO L.The applications and developments of the pneumatic manipulator[J].Machine Tool & Hydraulics，2007，8(8):226-228.DOI：10.3969/j.issn.1001-3881.2007.08.078.

[2]李会,张劲松.虚拟现实技术在工业控制中的应用[J].微计算机信息,2006,22(25):74-75,134.DOI：10.3969/j.issn.1008-0570.2006.25.026.

LI H,ZHANG J S.The application research of virtual reality technology in industrial control[J].Microcomputer Information，2006，22(25):74-75,134.DOI：10.3969/j.issn.1008-0570.2006.25.026.

[3]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑:信息科学，2009，39(1):2-46.

ZHAO Q P.A review of virtual reality[J].Scientia Sinica Informationis,2009,39(1):2-46.

[4]师亚娟,刘欣.基于PLC的自动化生产线三自由度机械手控制系统设计[J].工业控制计算机，2013，26(6):112-113.DOI:10.3969/j.issn.1001-182X.2013.06.051.

SHI Y J,LIU X.Control system of 3-dof mechanical arm of automatic production line based on PLC[J].Industrial Control Computer，2013，26(6):112-113.DOI:10.3969/j.issn.1001-182X.2013.06.051.

[5]王月芹.基于PLC的机械手控制系统设计[J].液压与气动，2011(09):41-43.DOI:10.3969/j.issn.1002-6673.2012.05.054.

WANG Y Q.Control system design of the manipulator based on PLC[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics，2011(09):41-43.DOI:10.3969/j.issn.1002-6673.2012.05.054.

[6]孙群,张龙,赵颖.基于虚拟样机技术的六自由度机械手建模与仿真[J].机械设计与制造，2013，7(7):178-181.

DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2013.07.057.

SUN Q,ZHANG L，ZHAO Y.Model and simulation for a 6-dof manipulator based on virtual machine technology[J].Machinery Design & Manufacture，2013，7(7):178-181.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2013.07.057.

[7]邹湘军,李静.采摘机械手虚拟设计与仿真系统的研究[J].系统仿真学报，2010，22(11):2748-2752.

ZOU X J,LI J.Research on picking manipulator virtual design and simulation system[J].Journal of System Simulation，2010，22(11):2748-2752.

[8]ROSSEAU G,BAILES J.The Development of a virtual simulator for training neurosurgeons to perform and perfect endoscopic endonasal transsphenoidal surgery[J].Neurosurgery，2013，1(73):85-93.DOI:10.1227/NEU.0000000000000112.

[9]LUECKE G R.Haptic interactions using virtual manipulator coupling with applications to underactuated systems[J].IEEE Transactions on Robotics，2011，27(4):730-740.DOI:10.1109/TRO.2011.2141210.

[10]GIRONIMO G D,MATRONE G,TARALLO A,et al.A virtual reality approach for usability assessment:case study on a wheelchair-mounted robot manipulator[J].Engineering with Computers,2012,29(3):1-15.DOI:10.1007/s00366-012-0274-x.

(责任编辑：王兰英)

Application of virtual simulation technology for assembly manipulator

HAO Lei，GAO Yuehua，LI Yapeng，WAN Zhenzhen

(Electronic and Information Engineering College,Hebei University, Baoding 071002,China)

A virtual simulation system which is combines electrical control and virtual reality technology is proposed.The system’s monitoring,debugging and staff training for visual simulation process of industrial control applications are realized.The control program obtained by software of Rockwell is running on PLC.3D virtual simulation model of the automatic assembly system of manipulator is structured by the RSTestStand.To reduce mechanical arm joint motion and force effectively,acceleration and speed reduction of the manipulator movement and optimization of the speed using cosine timing scheme in uniform conversion were performed.The experimental verification of motion visual effect and real-time monitoring curve on the object of virtual simulation is achieved.

virtual simulation;assembly manipulator;speed regulation

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.04.018

2015-05-27

国家自然科学基金资助项目(11271106)；河北省自然科学基金资助项目(B2014201008)；河北省高等学校科学技术研究项目(Z2015147)

郝雷(1978—)，男，黑龙江绥化人，河北大学讲师，河北大学在读博士，主要从事医学图像处理和自动控制方向研究.E-mail:leihao@hbu.edu.cn

高月华(1977—)，女，河北正定人，河北大学讲师，主要从事自动控制和图像处理方向研究.

E-mail:yuehuagao@hbu.edu.cn

TP301.6

A

1000-1565(2016)04-0444-05