一種履帶式除污機器人本體設(shè)計

彭小平

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙 410124）

除污機器人用于除污和搬運檢查到的淤泥、垃圾等堆積物，其機器本體為搬運機器人，是一種可以進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人，通過在機器人上安裝不同的末端執(zhí)行器，完成各種不同類型和狀態(tài)的物體，將物體一個位置移到另一個位置，大大減輕了人類繁重的體力勞動。

現(xiàn)有的搬運機器人大多固定在臺面上，只能對一定范圍內(nèi)的物品進行搬運，雖然目前有些機器人可以通過履帶進行移動，但是運動平穩(wěn)性較差，影響對物品的正常搬運，此外在運動過程中難免會撞擊到障礙物，容易造成機器人部件受損?；谶@類問題，針對現(xiàn)有的機器人本體予以研究改良，設(shè)計了一種工業(yè)履帶式運輸搬運機器作為除污機器人的本體，以達到解決問題與提高工作效率的目的。

1 機器人底盤設(shè)計

1.1 底盤的總體設(shè)計

機器本體的底盤總體設(shè)計如圖1（a）所示，具體包括：1、基架2、驅(qū)動帶輪3、驅(qū)動電機4、輪板5、支撐輪6、蓄電池7、防護板。防護板的一側(cè)設(shè)置有與基架滑動連接的導柱，且導柱的外側(cè)套接與防護板、基架相連接的彈簧，當基架撞擊到障礙物時，防護板的導柱沿基架滑動并帶動彈簧形變，可吸收沖擊力，提高對機器人的防護效果。支撐輪至少設(shè)置有三處，且支撐輪通過輪軸與輪板相連接，在搬運物體時，可保證機器人在高負荷下平穩(wěn)運動。蓄電池通過支架固定在基架1 上，且蓄電池通過電性方式與驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)電機、大臂電機、小臂電機、回轉(zhuǎn)電機、腕部電機及電動夾爪相連接，蓄電池位于基架1 底部的中間，可降低機器人的重心，保證機器人平穩(wěn)運行。

圖1

1.2 除污機器人的履帶式搬運主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

除污機器人的履帶搬運式本體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，除基架部分外，各個部分的具體名稱為：8 支撐板、9 旋轉(zhuǎn)電機、10 旋轉(zhuǎn)基座、11 大臂電機、12 大臂、13 小臂電機、14 小臂、15 回轉(zhuǎn)電機、16 回轉(zhuǎn)臂、17 腕部電機、18 腕架、19 電動夾爪、20 履帶。在該結(jié)構(gòu)體的大臂兩端設(shè)置有弧面，且大臂的中間開設(shè)有矩形通孔，可減輕機器人整體的重量。旋轉(zhuǎn)基座的上方焊接有兩處加強板，且加強板的外形呈直角梯形狀，大臂電機位于兩處加強板之間，使旋轉(zhuǎn)基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，提高承載能力。

在使用機器人時，旋轉(zhuǎn)電機、大臂電機、小臂電機、回轉(zhuǎn)電機及腕部電機可分別帶動旋轉(zhuǎn)基座、大臂、小臂、回轉(zhuǎn)臂及腕架轉(zhuǎn)動，可使電動夾爪在多個自由度上對物品靈活抓持，之后驅(qū)動電機可通過同步帶及輪軸帶動驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動帶輪及支撐輪上的履帶轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對物品的轉(zhuǎn)移，另外在機器人運動的過程中，基架底部的中間蓄電池在為機器人供電的同時，可降低機器人的重心，保證機器人平穩(wěn)運行，當基架意外撞擊到障礙物時，防護板的導柱沿基架滑動并帶動彈簧形變，可吸收沖擊力，提高對機器人的防護效果。

該工業(yè)履帶式運輸搬運機器本體結(jié)構(gòu)，通過防護板的一側(cè)設(shè)置有與基架滑動連接的導柱，導柱的外側(cè)套接與防護板、基架相連接的彈簧的設(shè)置，當基架撞擊到障礙物時，防護板發(fā)生伸縮可吸收沖擊力，提高對機器人的防護效果；通過支撐輪至少設(shè)置有三處，且支撐輪通過輪軸與輪板相連接的設(shè)置，在搬運物品時，可保證機器人在高負荷下平穩(wěn)運動；通過旋轉(zhuǎn)基座的上方焊接有兩處加強板，加強板的外形呈直角梯形狀，大臂電機位于兩處加強板之間的設(shè)置，使旋轉(zhuǎn)基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，提高基座的承載能力；通過對工業(yè)履帶式運輸搬運機器人的改進，使該接器本體結(jié)構(gòu)具有合理性，運行平穩(wěn)可靠，操作靈活，提高搬運效率，防撞性能良好的優(yōu)點，從而有效的解決了一些工業(yè)履帶式運輸機器人所存在的問題和不足。

2 旋轉(zhuǎn)基座電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計

機器本體為達到機器人總體控制系統(tǒng)實現(xiàn)下水道通行和淤積物搬運的功能，需要實現(xiàn)搖桿控制加遠程距離控制。因此機器本體設(shè)計的蓄電池輸出端子有24 伏的直流輸出和220 伏的交流輸出。24 伏直流輸出作為除污機器人的主要控制單元西門子S7-1200PLC 的工作電源，220 伏輸出作為機械本體基座的驅(qū)動電機（伺服電機）的工作電源?；O(shè)計為后輪兩驅(qū)型?？梢詾槌蹤C器人在下水道翻越障礙物和狹小管道中通過提供保障。既有足夠的動力，又可以精確控制定位。本文所設(shè)計的底盤驅(qū)動電機由蓄電池輸出24 伏直流給西門子S7-1200PLC 供電。由PLC 連接S120 驅(qū)動控制系統(tǒng)后可以控制伺服電動機在不損失扭矩和力矩的前提下進行精確的位置移動，同時這樣設(shè)計可以幫助提高除污機器人在下水道中穿越障礙物的成功率，機器臂安裝在下水道除污機器人的基座上。機器臂各關(guān)節(jié)步進電機同樣由S7-1200PLC 控制?；尿?qū)動電機控制系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。CPU 選擇1215DC/DC/DC 的型號，這樣可以由蓄電池提供24 伏的直流電源給PLC。電機型號選擇AC220V/0.5KW 光軸不帶鍵槽無抱閘的伺服電機，可以提供足夠大的扭矩。驅(qū)動選擇西門子S120 驅(qū)動系統(tǒng)CU320-2PN 型控制單元。同時專門配置16KW 的伺服電源模塊，訂貨號為6SL3100-0BE21-6AB0。S120控制單元CF 卡選擇雙軸不帶性能擴展固件V4.8，控制單元隔離片將CU320-2 控制單元的深度增加到270mm。在配置軸工藝時，模數(shù)使軸的位置置在一個區(qū)間內(nèi)循環(huán)更新。本負載為一個旋轉(zhuǎn)圓盤，位置值在0-360°之間循環(huán)，所以需選擇“啟動模數(shù)”。位置限制：本位置軸不設(shè)置硬限位開關(guān)，啟用軟限位開關(guān)作為保護即可，設(shè)置軟限位開關(guān)下限為0°，下限位為360°。動態(tài)常規(guī)項：最大速度為2000r/min，加減速時間為1S。動態(tài)急停：急停的加減速時間為0.5S。另外需要設(shè)置回原點功能。

圖2 旋轉(zhuǎn)基座電機控制系統(tǒng)

3 旋轉(zhuǎn)基座電機軟件設(shè)計

旋轉(zhuǎn)基座的電機由S7-1200PLC 控制，通信協(xié)議采用Profinet 協(xié)議。PLC 與驅(qū)動器之間以標準的PROFIdrive 報文進行通信。旋轉(zhuǎn)基座電機在除污機器人工作時，需要控制其前進、后退、轉(zhuǎn)向，能持續(xù)運行和電動運行。并且在判斷出障礙物或者垃圾污物的位置后能夠根據(jù)定位準確移動距離和方向控制。因此在設(shè)計程序時，需要設(shè)計電機的正向和反向控制以及電動控制。為保證移動的距離精確，每次啟動電機時都需要執(zhí)行回原點程序。在驅(qū)動電機完成回原點并輸出反饋完成信號后再進行絕對位移指令的控制。執(zhí)行回原點指令時，在正向?qū)ふ以c的過程中，如果不能找到原點位置，則執(zhí)行反向?qū)ふ以c。具體在電機運行時，首先正向?qū)ぴc，其路徑為：電機正向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點信號→轉(zhuǎn)盤減速至反向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點信號→轉(zhuǎn)盤正向加速至正向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點信號→轉(zhuǎn)盤減速至反向旋轉(zhuǎn)→觸發(fā)原點信號→轉(zhuǎn)盤停止尋原完成。按下啟動按鈕，發(fā)送信號給PLC 執(zhí)行系統(tǒng)命令，此時指令運行：旋轉(zhuǎn)軸上使能：使能=1；報警復位=2；下使能=0；正轉(zhuǎn)運動指令：尋原點=1；相對位移=2；正轉(zhuǎn)=30；反轉(zhuǎn)=40；當PLC 反饋運行狀態(tài)時：正轉(zhuǎn)軸狀態(tài)：使能=1；報警=2；指令執(zhí)行情況：正轉(zhuǎn)運動狀態(tài)：回零命令確認=1，回零完成=11；相對位移命令確認=2，相對位移完成=12（單次運行60°）；部分程序如圖3 所示。其系統(tǒng)狀態(tài)存儲在DB45 和DB46 的數(shù)據(jù)塊中。

圖3 旋轉(zhuǎn)基座電機程序

4 結(jié)論

本文主要闡述了一種由西門子S7-1200PLC 控制的除污機器人本體設(shè)計及其驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過使用這種工業(yè)履帶式的搬運機器結(jié)構(gòu)作為除污機器人的本體，結(jié)合PLC 控制基座驅(qū)動電機，PLC 采用直流輸入供電電源，本體部分設(shè)計了蓄電池結(jié)構(gòu)可以持續(xù)穩(wěn)定地為主體控制器提供電源，有效解決除污機器人的遠程控制和作業(yè)低下問題，可以為除污過程提高效率，而且該結(jié)構(gòu)主體的操作十分靈活，運行狀態(tài)平穩(wěn)可靠，防撞性能良好。