基于S7-200plc機(jī)械手設(shè)計(jì)

基于S7-200plc機(jī)械手設(shè)計(jì),基于,S7,200,plc,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 基于PLC的多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)方案 Chan Woo Moon *，Beom Hee Lee *和M. Kim ** *首爾國(guó)立大學(xué)電氣工程學(xué)院，韓國(guó)首爾 電子郵件：mcw @ robotI .snu.ac.kr **韓國(guó)Kist人類機(jī)器人中心主任 背景 具有多個(gè)機(jī)器人的機(jī)器人工作單元可以 完成單機(jī)器人無法管理的復(fù)雜任務(wù)。 工作單元中的機(jī)器人彼此合作，或者 爭(zhēng)奪共享運(yùn)動(dòng)路徑，資源和工作空間。 所以協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)器人對(duì)于設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要 一個(gè)機(jī)器人工作單元。 在本文中，我們提出一個(gè)邏輯 機(jī)器人工作單元的模型來構(gòu)建滿足的控制器 所需的行為，并構(gòu)建一個(gè)性能模型 衡量控制器的性能。 我們驗(yàn)證了 提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的多機(jī)器人工作模型 細(xì)胞 簡(jiǎn)介 具有多個(gè)機(jī)器人的工作單元增加 制造靈活性和生產(chǎn)力。最近在那里 由于這種好處，一直在增加對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)的研究和需求。研究問題 多機(jī)器人系統(tǒng)包括避免碰撞，任務(wù) 計(jì)劃，溝通和績(jī)效評(píng)估[1- 41.目前，機(jī)器人執(zhí)行簡(jiǎn)單而重復(fù)的任務(wù) 如組裝，焊接和材料處理，但是 新計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，傳感器和 視覺系統(tǒng)使機(jī)器人能夠執(zhí)行更多功能 具有靈活性和智能的復(fù)雜任務(wù)。 Petri網(wǎng)，馬爾可夫模型，排隊(duì)網(wǎng)絡(luò) 而有限狀態(tài)機(jī)被廣泛用于模擬a 機(jī)器人工作單元，并有許多研究 報(bào)道。 Petri網(wǎng)被認(rèn)為是既定的方法 用于柔性制造系統(tǒng)的建模 （FMS）[S]。馬爾可夫模型是一個(gè)多功能的工具 基于PLC的多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)方案 精確的小系統(tǒng)性能分析，而且是 已知隨機(jī)Petri網(wǎng)是半馬爾可夫或 馬爾可夫過程。 Gopalakrishna分析了靈敏度 的容易出錯(cuò)的FMS與馬爾可夫的吞吐量 模型[6]。救援網(wǎng)絡(luò)適用于 分析大型FMS的。監(jiān)督控制 一個(gè)用有限狀態(tài)機(jī)建模的系統(tǒng)是 新的研究領(lǐng)域。 Brandin模擬機(jī)器人工作單元由傳送帶，機(jī)器人，可編程組成 邏輯控制器（PLC）和視覺系統(tǒng)，他構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)督控制器[7]。 如上所述，研究建模a 帶機(jī)器人的制造系統(tǒng)非常豐富，但它們 將機(jī)器人視為制造系統(tǒng)的一部分。 與其他制造系統(tǒng)相比，多機(jī)器人 系統(tǒng)有幾個(gè)鮮明的特點(diǎn)。首先，表現(xiàn) 系統(tǒng)的配置取決于配置;第二，每個(gè) 機(jī)器人為每項(xiàng)任務(wù)分配不同的工作量。背風(fēng)處 使用多計(jì)算機(jī)處理器的概念來建模一個(gè) 多機(jī)器人系統(tǒng)并評(píng)估其性能[8]。他 提出了三種多機(jī)器人互連方法 系統(tǒng)并為每個(gè)系統(tǒng)建模一個(gè)機(jī)器人故障恢復(fù) 方法，但他沒有考慮碰撞和干擾 機(jī)器人之間。工作單元中的機(jī)器人裝備在a 稀疏區(qū)域通常共享運(yùn)動(dòng)路徑，資源和 工作區(qū)，他們互相影響。 制造系統(tǒng)的模型被分類為 三組[9]。 邏輯模型：這些模型與事件有關(guān) 流程，事件順序和邏輯的有效性。 性能模型：這些模型用于 性能評(píng)估與優(yōu)化 控制器。 實(shí)時(shí)模型：這些模型涉及時(shí)間 系統(tǒng)的屬性。 在本文中，我們開發(fā)了一個(gè)邏輯模型來描述 多機(jī)器人系統(tǒng)并構(gòu)建一個(gè)性能模型 衡量控制器的性能?？刂破魇? 用PLC實(shí)現(xiàn)?？刂破鞯男阅? 可以用復(fù)雜度等措施進(jìn)行評(píng)估 和可靠性。在這里，我們?cè)u(píng)估a的性能 與完成時(shí)間的機(jī)器人工作單元。 該組織如下。第2節(jié)介紹 多機(jī)器人系統(tǒng)的建模。在第2節(jié)中，我們構(gòu)建了一個(gè) 邏輯模型和性能模型，并提出 數(shù)值例子。然后，第3節(jié)介紹 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的模型。最后， 結(jié)論在第4節(jié)中介紹。 多機(jī)器人系統(tǒng)建模 Tsai將多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分類如下[lo]。 同時(shí)運(yùn)動(dòng) 協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 重疊運(yùn)動(dòng) 同時(shí)運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 適用于單個(gè)機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù) 完成。移動(dòng)一個(gè)部件b兩個(gè)機(jī)器人就是一個(gè)例子。 另一方面，重疊運(yùn)動(dòng)不需要 嚴(yán)格操作機(jī)器人。重疊運(yùn)動(dòng) 因?yàn)闄C(jī)器人完成各種各樣 任務(wù)而不改變程序或工具。 2.1多機(jī)器人系統(tǒng)的邏輯模型 圖中顯示了由兩個(gè)機(jī)器人組成的工作單元 圖1.我們將工作區(qū)劃分為兩個(gè)區(qū)域， 獨(dú)家工作區(qū)和公共工作區(qū)。該 陰影區(qū)域表示其中的常用工作空間 機(jī)器人合作或共享資源。機(jī)器人工作單元 由機(jī)器人和外部控制器組成。該 控制器協(xié)調(diào)機(jī)器人的操作。 PLC 和工作站被廣泛用作控制器。一個(gè) 邏輯模型如圖2所示。 任務(wù)E（任務(wù)C）表示機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù) 分別在專用（共同）工作區(qū)中。事件 a表示任務(wù)E和事件c的完成 表示任務(wù)C的完成。事件b是a 可控事件。任務(wù)有兩個(gè)狀態(tài)，任務(wù)執(zhí)行 和故障恢復(fù)。事件f表明故障已經(jīng)發(fā)生 發(fā)生并且事件r指示故障已經(jīng)發(fā)生 恢復(fù)。由2個(gè)機(jī)器人A和B組成的系統(tǒng) 有9個(gè)州和25個(gè)州，包括故障恢復(fù)。 2.2多機(jī)器人系統(tǒng)的性能模型 在多機(jī)器人系統(tǒng)的三種模型中，我們 專注于我們的多機(jī)器人的重疊運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)模型。一個(gè)邏輯模型和控制器顯示在 附錄中的表A.符號(hào)如下。 符號(hào)1： R： 作業(yè)：在獨(dú)占工作區(qū)+中進(jìn)行一項(xiàng)操作 地址： 共享共同點(diǎn)的機(jī)器人數(shù)量 工作區(qū)： 在公共工作區(qū)中進(jìn)行連續(xù)操作 工作矢量，是的工作數(shù)量的矢量 分配給每個(gè)機(jī)器人 定義1： 平均執(zhí)行時(shí)間，英國(guó)：平均執(zhí)行時(shí)間 機(jī)器人k完成一項(xiàng)工作。 帶有干擾的平均執(zhí)行率，P *?： 機(jī)器人k完成工作時(shí)的平均速率 機(jī)器人k受到共享的其他機(jī)器人的干擾 共同的工作空間。 平均執(zhí)行率無干擾，PK： 機(jī)器人k完成工作的平均比率 機(jī)器人k不受其他機(jī)器人的干擾。 采取完成所有分配的工作 平均完成時(shí)間無干擾， Ts：完成所有分配所需的平均時(shí)間 如果機(jī)器人沒有共同的工作空間，那么這些工作就會(huì)發(fā)生 平均完成時(shí)間，T：平均時(shí)間 該系統(tǒng)具有以下功能 （1）機(jī)器人有一個(gè)共同的工作空間。 （2）每個(gè)機(jī)器人獨(dú)立運(yùn)行。 （3）在每個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)機(jī)器人進(jìn)行操作 （4）機(jī)器人被分配到不同的任務(wù)負(fù)載 常見的工作空間以避免碰撞。 分別。 在工作單元中，每個(gè)機(jī)器人請(qǐng)求控制器 在進(jìn)入公共工作區(qū)之前的權(quán)限 為了避免碰撞。 控制器承認(rèn)機(jī)器人 公共工作空間是空的。 如果機(jī)器人的操作 不同步，機(jī)器人經(jīng)歷排隊(duì)時(shí)間然后進(jìn)入公共工作空間[11]。 平均執(zhí)行時(shí)間uk，kc（1，R）是其中一個(gè)時(shí)候改變的工作單元中的機(jī)器人完成分配的任務(wù)。 讓7表示從第（i-1）個(gè)時(shí)刻開始的持續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中的機(jī)器人完成，直到第i個(gè)時(shí)刻，然后，下一個(gè)機(jī)器人完成估計(jì)平均完成時(shí)間T. 對(duì)于這種情況 具有兩個(gè)機(jī)器人A和B以及作業(yè)向量的工作單元 {CA，C，}，T被獲得為： 2.3平均執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算 如果工作量足夠大，機(jī)器人 共享共同的工作空間并不多，我們可以 用穩(wěn)態(tài)平均值近似uk，或 吞吐量。為了計(jì)算uk，k E（1，R），如下 做出假設(shè)。 假設(shè)1： 1） 2） 每個(gè)機(jī)器人都進(jìn)入公共工作區(qū) 指數(shù)分布，機(jī)器人k的參數(shù)hk。 每個(gè)機(jī)器人花費(fèi)的時(shí)間分配 共同的工作空間是已知的。 PDF G?（x），pdf gk（X），機(jī)器人k的平均S k 其中g(shù)k是機(jī)器人k在中的運(yùn)行時(shí)間 常見的工作空間加上處理時(shí)間 外部控制器。 其他機(jī)器人直到機(jī)器人才被接納 在公共工作區(qū)完成任務(wù)。 3） 假設(shè)1 - 1）是必要的，為了沒有 當(dāng)我們建立一個(gè)馬爾可夫鏈時(shí)，無限多的狀態(tài) 模型。如果機(jī)器人進(jìn)入，這是一個(gè)合理的假設(shè) 公共區(qū)域統(tǒng)一通過工作時(shí)間。 平均執(zhí)行時(shí)間uk如下獲得。 隨著機(jī)器人之間的干擾： 而不是參考： 這里，wk是機(jī)器人k在普通機(jī)器人中的運(yùn)行時(shí)間 工作區(qū)加上等待時(shí)間，wk，hk是hnctions 控制機(jī)器人的方案。 為了計(jì)算英國(guó)，我們驅(qū)動(dòng)一個(gè)嵌入式馬爾可夫鏈 該系統(tǒng)的模型[12-131。 我們選擇時(shí)間 任何機(jī)器人離開公共工作空間或到達(dá) 在一個(gè)空的公共工作區(qū)。 給出系統(tǒng)狀態(tài) 由當(dāng)時(shí)的公共工作空間的狀態(tài)。 這些 狀態(tài)是嵌入的馬爾可夫鏈并滿足 遵循平穩(wěn)方程。 其中n = {n，}是馬爾科夫的極限概率 鏈，滿足＆，= I，P是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。 我們定義索引集。 rI.p = n（2.5） I k：所有狀態(tài)的索引集，表示機(jī)器人k 在獨(dú)家工作區(qū)中。 Jk：所有狀態(tài)的索引集，表示機(jī)器人k 在公共工作區(qū)中。 Lk：所有狀態(tài)的索引集，表示機(jī)器人k 從公共工作區(qū)移出 瞬間 機(jī)器人k在平均運(yùn)行時(shí)間 公共工作空間的獲得如下[14]。 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)臺(tái)由LG工業(yè)系統(tǒng)PLC 2組成 三星scara機(jī)器人，大宇Fanuc旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，一個(gè) 主傳送帶，三條輔助傳送帶和一條 監(jiān)督電腦。實(shí)驗(yàn)機(jī)器人工作單元 由三個(gè)機(jī)器人組成，每個(gè)機(jī)器人連接到一個(gè)機(jī)器人 PLC和監(jiān)控PC。我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn) 其中兩個(gè)機(jī)器人。每個(gè)機(jī)器人都在工作 專屬工作區(qū)和下面的常用工作區(qū) PLC的控制。圖3顯示了工作空間 每個(gè)機(jī)器人。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)是典型的組裝和材料 運(yùn)輸。每個(gè)機(jī)器人都執(zhí)行一個(gè)組裝任務(wù) 獨(dú)特的工作空間，并將其帶到普通工作區(qū) 工作區(qū)。在普通的工作區(qū)中，操作時(shí)間 機(jī)器人A和機(jī)器人B的時(shí)間常數(shù)分別為13.57秒和12.54秒 秒。在獨(dú)家工作空間中，平均水平 操作時(shí)間分別為40.71秒和24.81秒 在f 3 sec和S 5 sec的范圍內(nèi)均勻變化。該 工作數(shù)量是（50,20），（35,35），（25,45），（20,50）。該 完成時(shí)間T，估計(jì)的T和Ts如表所示 3和圖4.為了獲得T，我們對(duì)完成進(jìn)行了平均 時(shí)間四次實(shí)驗(yàn)后。估計(jì)值是 接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即使手術(shù)時(shí)間 在專屬工作空間中并不是精確的指數(shù) 分配。最佳負(fù)載分配比為0.4158， T為0.4103和0.4076，T和T分別為估計(jì)值 4.結(jié)論 在本文中，我們構(gòu)建了一個(gè)邏輯模型和一個(gè)性能 模型為多機(jī)器人系統(tǒng)。我們使用2步 程序來構(gòu)建一個(gè)控制器。使用邏輯模型 用于構(gòu)建滿足最低要求的控制器 所需的行為。性能模型用于 控制器的性能評(píng)估。 因此我們使用嵌入式馬爾可夫鏈模型 操作時(shí)間分布的情況 專屬工作空間不接近一個(gè) 指數(shù)分布，我們?cè)馐芤恍┙ｅe(cuò)誤。 確定性分配就是一個(gè)例子，在這種情況下， 我們需要其他方法，如時(shí)間表和 實(shí)驗(yàn)測(cè)量。但是，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中 第3節(jié)表明，所提出的模型是有效的 一般情況。我們測(cè)量系統(tǒng)的性能 平均值。如果機(jī)器人共享共同的 工作空間很多，工作的數(shù)量很少，我們 需要瞬態(tài)分析。作為未來的工作，我們需要 擴(kuò)展這項(xiàng)研究以評(píng)估瞬態(tài)性能。 參考 1.B.H.Lee，C.S.G.Lee，“無碰撞運(yùn)動(dòng)” 兩個(gè)機(jī)器人的規(guī)劃“，IEEE Transaction on on Systems，Man and Cyber??netics，Vol SMC-17，Number 2.永田忠彥，本田邦彥，寺本義明， “多機(jī)器人計(jì)劃連續(xù)生成 域：使用計(jì)劃圖和計(jì)劃進(jìn)行計(jì)劃 避免機(jī)器人碰撞“，IEEE Journal 3.Robotics and Automation，Vol 4，Number 1，pp 2- 13（1988） 4.John W. 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