CC BY
226
Система управления роботизированным комплексом выгрузки посылок из контейнера
Ключевые слова: контейнер, выемка посылок, автоматизация, робот-манипулятор, система управления.
Рассмотрен подход к созданию системы управления роботизированным комплексом выгрузки посылок из контейнера. Приводится назначение системы. Сформулированы требования к системе управления роботом-манипулятором. Разработана блок-схема системы управления комплексом, которая содержит управляющий микроконтроллер с микропроцессором, системным контроллером, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), модулем ввода-вывода и устройство связи с объектом (УСО), причем микропроцессор соединен с ОЗУ, ПЗУ и системным контроллером, системный контроллер соединен, кроме того, шинами данных и управления с ОЗУ, ПЗУ и через интерфейсы ввода и вывода модуля ввода-вывода с УСО, которое через соответствующие каналы соединяется со средством определения положения посылок в контейнере, средством определения положения руки робота, средством управления сервоприводами узлов манипулятора, средством управления вакуумным захватом, средствами передачи и приема сигналов управления оператору и от него, а указанное средство передачи и приема сигналов оператору и от него соединено, кроме того, со средством управления отводящим транспортером. Даны схема и описание алгоритма работы комплекса. Рассмотренная система управления комплексом позволит соблюсти гарантированный интервал между выгружаемыми посылками, обеспечить работу комплекса с максимальной производительностью или максимальной экономией энергозатрат, оперативно реагировать на аварийные ситуации при захвате и перемещении посылок.
Барсук И.В.,
Зам.. директора по науке — руководитель научно-исследовательского отдела ФГУП НИИПС, доцент кафедры ИБиА МТУСИ
Назначение
Система управления комплекса, состоящего из П-образной станины с закрепленными посередине горизонтальной части роботом-манипулятором и на боковых вертикальных частях — симметрично расположенными фрагментами винтовых спусков, должна обеспечить пуск и останов комплекса, сканирование открытой стороны контейнера, определение в нем верхнего слоя посылок, нахождение в этом слое выгружаемой посылки, ее захват и перегрузку роботом-манипулятором на движущуюся ленту отводящего транспортера или на ближайший к посылке боковой винтовой спуск, откуда посылки попадают на ленту транспортера. Кроме того, система управления должна осуществлять остановку работы комплекса при неудачных попытках захвата и выгрузки посылки, аварийных ситуациях, передачу и обработку информации.
Формулирование требований к системе управления роботом-манипулятором
Система управления роботом-манипулятором должна состоять из нескольких функциональных блоков. Это многопроцессорная система, построенная по иерархическому принципу
Ее верхний уровень решает следующие задачи:
1) Расчет траектории движения схвата манипулятора и формирование программы движения каждого звена.
2) Логическая обработка информации о состоянии устройств, входящих в состав робототехнического комплекса и синхронизация работы манипулятора с технологическим оборудованием.
3) Обеспечение диалогового режима работы оператора.
4) Обмен информацией с внешней ЭВМ.
5) Запись, чтение и хранение программы пользователя на накопителе на гибких магнитных дисках.
6) Обеспечение режима ручного управления манипулятора с помощью пульта.
7) Диагностика работы устройств, калибровка положения звеньев манипулятора.
Нижний уровень в этой системе управления решает задачи регулирования параметров движения по положению и скорости звеньев манипулятора в соответствии с программой, предписанной устройством верхнего уровня.
Устройство управления может иметь несколько режимов работы: автоматический — для работы по программе движения манипулятора; программный — для создания новой программы в режиме обучения; базисный — для ручного управления каждым звеном; калибровочный для установки звеньев в исходное положение, так как только после этого возможно включение автоматического режима.
Блок-схема системы управления роботизированного
комплекса выгрузки посылок из контейнера
Блок-схема системы управления комплекса показана на рис.1 [1, 2]. Микроконтроллер содержит ядро микроконтроллера и модуль ввода-вывода. Основой ядра является микропроцессор, системный контроллер и, по крайней мере, два блока памяти: оперативная (ОЗУ) и постоянная (ПЗУ). Модуль ввода-вывода содержит интерфейс ввода и интерфейс вывода. Микропроцессор связан с ОЗУ и ПЗУ тремя шинами: адресной, данных и управления. Кроме того, шина данных и шина управления связывают микропроцессор с интерфейсами ввода и вывода. Интерфейсы модуля ввода и вывода соединяются с устройством связи с объектами (УСО). УСО содержит каналы ввода и вывода для связи с внешними устройствами. Внешние устройства могут быть датчиками для определения параметров, необходимых микроконтроллеру для выработки команд управления комплексом [3], исполнительными устройствами типа сервоприводов руки робота и пневмонасосов захвата, визуальными и звуковыми средствами сигнализации оператору. Они включают в себя средство определения положения посылки в контейнере (оно может быть оптическим или механическим), средство передачи и приема сигналов оператору и от него (оптические и звуковые сигналы), средство управления звеньями руки манипулятора (усилители и сервоприводы), средство определения положения руки робота (оптическое или по сигналам обратной связи от звеньев руки манипуля-
Рис. 1. Блок-схема системы управления роботизированного комплекса выгрузки посылок из контейнера
движущуюся ленту отводящего транспортера, а также траектории возвращения руки робота от места сброса посылки до элементарного объема места захвата следующей посылки в контейнере. Эти оптимальные траектории хранятся в постоянной памяти ПЗУ микроконтроллера. Там же хранятся программы для решения всех необходимых задач. Микропроцессор совместно с оперативной памятью ОЗУ и ПЗУ выполняет решение задач, возникающих в ходе работы комплекса. Системный контроллер обеспечивает совместную работу ядра микропроцессора через модуль ввода-вывода и устройство УСО с внешними объектами. Каждый внешний объект обращается к микропроцессору или получает сигналы от него через соответствующий одно или двунаправленный канал устройства УСО.
Алгоритм работы роботизированного комплекса
выгрузки посылок из контейнера
Функции роботизированного комплекса выгрузки посылок из контейнера поясняет алгоритм его работы, изображенный на рис. 2.
Перед включением комплекса оператор с помощью переключателя устанавливает выбранный режим работы с максимальной экономией энергозатрат (Е) или с максимальной производительностью (Б). Режим Е применяется, например, тогда, когда при работе роботизированных комплексов в качестве вводных устройств автоматизированной линии сортировки посылок их суммарная производительность превышает пропускную способность сортировочной установки. Кроме того, траектории, наиболее выгодные с точки зрения экономии энергии, обеспечивают лучшие условия работы вакуумного захвата [4, 5]. Нажатием кнопки"Пуск" (в средстве управления отводящим транспортером) оператор запускает отводящий транспортер и включает комплекс.
тора), средство управления захватом (пневмоцилиндры или другие устройства для создания вакуума в захвате), средство определения веса посылки (тензодатчики разных конструкций), средство определения габаритов захваченной посылки (лазерное или с фотодатчиками [1, 2]), средство управления отводящим транспортером (сигналы пуска и останова).
Система управления роботизированного комплекса выгрузки посылок из контейнера обеспечивает сканирование открытой стороны контейнера, нахождение верхнего слоя, из которого должна производиться выгрузка, и поиск в этом слое выгружаемой посылки. Она обеспечивает синхронное выполнение сервоприводами всех движений руки робота-манипулятора в соответствии с задаваемыми режимами работы и траекториями движения руки робота с посылкой и без нее. Кроме того, она определяет нестандартное положение посылки, изменяет движения руки робота в зависимости от этого положения, управляет действиями захвата, ведет учет выгруженных посылок, и выполняет ряд других необходимых и вспомогательных действий. Например, система управления обеспечивает управление отводящим транспортером, преобразование команд оператора "Пуск" и "Стоп" в сигналы управления устройствами, выводит на указатели или лампы сигналы останова комплекса или иные сигналы для оператора.
Все пространство внутри контейнера радиусом равным максимальной длине руки робота-манипулятора и высотой, равной высоте кузова контейнера, за исключением ограничений, накладываемых конструктивными частями комплекса, условно (виртуально) разбивают на элементарные объемы с размерами, сравнимыми с минимально допустимыми размерами посылок, и заранее рассчитывают и запоминают оптимальные траектории перемещения посылки от каждого элементарного объема места захвата посылки в контейнере до места сброса посылки на один из винтовых спусков или
Рис. 2. Алгоритм работы роботизированного комплекса выгрузки посылок из контейнера
Нахождение верхнего слоя посылок производится выдачей необходимых команд сервоприводам руки робота (средство управления сервоприводом) и поиском с помощью сканирующего устройства (средство определения положения посылки в контейнере). Это могут быть сканеры: лазерный или механический, щуп которого закреплен на руке робота. Если слой не обнаружен, работа комплекса прекращается и вырабатывается соответствующий сигнал оператору. Причиной не нахождения слоя может быть окончание процесса разгрузки данного контейнера. Если слой обнаружен, производится передача координат этого слоя микроконтроллеру. Микроконтроллер дает команду поиска посылки в обнаруженном слое. После обнаружения посылки следует передача координат этой посылки микроконтроллеру. Микроконтроллер на основе полученных координат посылки и выбранного положения переключателя выбора режима работы (E или S) выбирает из постоянной памяти ПЗУ разработанный и хранящийся в ней оптимальный для данных координат посылки маршрут по перемещению руки робота из исходного положения к месту нахождения посылки контейнере, а затем — к определенной выше площадке выгрузки. Затем выдаются соответствующие команды серводвигателям руки робота (средство управления сервоприводом) и захвата (средство управления захватом).
При сближении захвата с выбранной посылкой определяется, находится ли посылка в правильном положении, при котором вакуумный захват может ее захватить. Эта проверка может быть проведена или сканирующим устройством, или с помощью датчиков положения, закрепленных на звеньях руки робота. Если посылка оказалась в неправильном положении, например, повернута под значительным углом к плоскости открытой стенки контейнера, описание ее фактического положения передается микроконтроллеру. Это описание фиксируется в оперативной памяти ОЗУ, микроконтроллер вырабатывает команду изменения положения захвата, после чего снова происходит проверка взаимоположения посылки и захвата. Если посылка оказалась в правильном положении (или поворот захвата обеспечил стандартность его стыковки с посылкой), производится выполнение захвата посылки. Если при повторной попытке посылку захватить не удалось (например, упаковка посылки оказалась из ткани), то подается команда на останов комплекса, и вырабатывается сигнал для привлечения к ситуации внимания оператора.
Следующая операция — проверка на превышение веса и габаритов захваченной посылки. Превышение предельно допустимых значений этих величин может произойти, если по какой-то причине произойдет, например, сцепление двух соседних посылок, или в контейнер при отправке была помещена недопустимо большая посылка. Обнаружение превышения веса посылки может быть произведено с помощью средства определения веса захваченной посылки. Превышение веса может быть обнаружено, например, с помощью встроенных в звенья руки робота датчиков. Это могут быть, например, тензодатчики или резонансные датчики типа Tuning-Fork фирмы Shinko Denshi, Япония. Обнаружение превышения габаритов посылки может быть произведено с помощью средства определения габаритов захваченной посылки. Таким средством могут быть, например, лазерный (например, сканер WB4 фирмы Cyberware
США) или механический сканер (например, механический сканер MicroScribe-3D фирмы Immersion, США). Другим средством определения превышения габаритов посылки может служить система из двух рядов фотодатчиков, размещенных на вертикальных рамках [1, 2]. При перемещении посылки, она пересекает сначала лучи фотодатчиков ряда, который ближе расположен к контейнеру, а затем — следующего ряда. Расстояние между этими рядами несколько превышает наибольший допускаемый габаритный размер посылки. Сигналы одновременного пересечения лучей обоих рядов служат микроконтроллеру указанием на превышение габаритов посылки. Если при перемещении посылки за определенный промежуток времени происходит последовательное затемнение датчиков из первого по отношению к контейнеру вертикального ряда, а затем второго, то это говорит о том, что процесс выгрузки происходит нормально.
Если габариты или вес посылки превышают предельно допустимые значения, работа комплекса останавливается, и оператору подается соответствующий световой или звуковой сигнал.
Если вес не превышает предельно допустимых значений, то из ПЗУ выбирается оптимальная траектория перемещения руки робота с посылкой к месту разгрузки, и микропроцессором выдаются соответствующие команды серводвигателям руки робота. Рука робота направляется к ранее определенному месту выгрузки и сбрасывает там посылку. Затем цикл поиска верхнего слоя и посылки в нем повторяется, рука робота направляется по оптимальной траектории к выбранной посылке.
Выводы
1. Рассмотренная система управления комплексом позволит осуществить последовательную выгрузку посылок роботом-манипулято-ром из контейнера на движущуюся ленту отводящего транспортера или на один из фрагментов боковых винтовых спусков, чем гарантируется надежный интервал между посылками на ленте транспортера.
2. Благодаря тому, что перемещение посылок из контейнера производится на места, расположенные в максимальной близости к контейнеру, внутренний объем которого условно разбивается на зоны, в которых посылки расположены на минимальных расстояниях от этих мест, причем в одном режиме эксплуатации комплекса при перемещении посылок минимизируется время рабочих и холостых движений руки робота-манипулятора, а в другом минимизируются энергозатраты, достигаются соответственно максимальная производительность комплекса или максимальная экономия энергозатрат.
Литература
1. Барсук И.В. Способ выгрузки штучных грузов из контейнера. Патент РФ № 2441830 // Бюллетень изобретений, 2012. № 4.
2. Барсук И.В. Устройство выгрузки штучных грузов из контейнера. Патент РФ № 2448029 // Бюллетень изобретений, 2012. № 11.
3. Бентхами Хишам. Обзор и анализ датчиков внешней информации. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", 14.06.2003, № 2233 — св. — С. 44-50.
4. Бентхами Хишам. Автоматизированная система для загрузки посылок в контейнеры с использованием робототехнических устройств. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 04.07.2004, № 2250 — св. — С. 33-38.
5. Канунник И А, Фалалеева RB. Механика роботов и манипуляторов: Учеб. пособие. Красноярск: Изд-во Краснояр. аграрного ун-та, 1996. — 376 с.
Robotic control system set of discharge parcel of the container
Borsuk I.V., MTUCI
Abstract. An approach to the creation of complex systems control the robotic unloading of parcels from the container. Given the appointment system. The requirements for the control system of a robot manipulator. The block diagram of the control of the complex, which contains a microprocessor controlled by a microcontroller, the system controller, a random access memory (RAM), read only memory (ROM), input-output and communication device with the object (CDO), the microprocessor is connected to the RAM, ROM and the system controller, the system controller is connected, in addition, the data and control buses with RAM, ROM and interface input and output of the input-output with the CDO, which, through the appropriate channels connected to the means of determining the position of parcels in a container, means for determining position robot arm, controls, servo arm assemblies, controls, vacuum gripper, the means to transmit and receive control signals to the operator and from him, and said means of transmission and reception of signals from the operator, and it is connected also with the controls diverter conveyor. Given a diagram and description of the algorithm of the complex The system considered complex control will keep the guaranteed interval unloads parcels, to provide work of the complex with maximum performance or maximum energy savings, to respond to emer-Riina situation in the capture and movement of parcels.
Keywords: the container, diedging pacels, automation, the obot-manipulator, the system control.
