基于PLC的图书馆作业型机器人工作系统

摘要：介绍了应用可编程控制吕PLC对图书馆作业型机器人进行控制的总体设计思想，并给出了硬件配置和软件设计，利用PLC控制机器人自动完成图书上架工作。

研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重而简单的重复劳动，替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配等场合，已经开始大量使用机器人。工业机器人大都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，能够按照预定的顺序、条件、位置逐步重复执行给定的作业任务，从而节省了劳动力，提高了工作效率。
可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。由于PLC具有功能强大、可靠性高、体积小巧、可扩展各种智能模块等特点，使其在自动化领域中的应用日益普及。本文采用FX系列PLC控制图书馆作业型机器人，使其按编制的程序自动完成图书上架工作。

1 系统原理及结构

1.1 系统原理
图书馆作业型机器人工作系统结构示意图如图1所示。机器人机身长度l1与书架宽度l2相等。机身部装有图书存储栏和与之相平行的钢轨，机械手安装在钢轨上并可沿X方向在钢轨上移动。机械手顶端安装一扫描装置，用于读取图书信息，以配合机械手执行图书分类上架任务。机器人机身部装有接近传感器，主要用于感应机器人和外部物体的接近程度，使机器人可通过紧急制动来避免与书架、墙壁以及意外障碍物的碰撞。

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图1 机器人结构示意图

当PLC接收到开始信号时，机器人行驶至位置A后停止，机械手绕Z轴沿顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，开始从图书存储栏中寻找A1类图书。这时，机械手在钢轨上沿X轴正方向朝钢轨末端移动，顶端扫描装置同时扫描图书存储栏中待上架图书的条形码，直至扫描到A1类图书停止，机械手伸出手臂将之取出，手爪夹紧书后手臂缩回，接着机械手绕Z轴沿逆时针方向旋转180°至垂直正对书架A1栏，然后沿X轴反方向朝钢轨前端移动，顶端扫描装置同时扫描书架A1栏中放置的图书的条形码，直至运动至五条形码信息处(即书架A1栏中未放置图书的空隙处)停止。机械手伸出手臂将图书放人A1栏中，然后将手臂缩回，完成一本图书的上架任务。由于图书存储栏中可能还存在A1类图书，这就需要继续寻找A1类图书。这时，机械手又运动至钢轨前端限位处(即初始位置)，并绕Z轴顺时针方向旋转180°至垂直正对图书存储栏，又开始重复循环进行上述动作(扫描目标图书刁取书呻上架)，直至机械手移动至钢轨末端，扫描完图书存储栏中最后一本图书，才说明已寻找完图书存储栏中所有A1类图书。若最后一本书是A1类图书，机械手则继续按上述步骤完成上架任务，然后移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作；若不是A1类图书，机械手则立即移动至钢轨前端，准备开始A2类图书的上架工作。机器人将A2、A3类图书上架的工作原理与上述原理基本相似，只是机械手将图书上架时需伸高一定高度至A2、A3栏。就这样，机器人在PLC控制下顺序完成了书架A中图书的上架工作。接着，机器人又行驶至位置B后停止，的上架工作。
1.2 系统结构
1.2.1 机械手
本作业型机器人中机械手具有四个自由度，即水平方向的伸、缩；竖直方向的升、降；绕竖直轴Z轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转；沿X方向在钢轨上的移动。另外，其末端安装了执行装置——手爪，可完成抓、放动作。
以上动作均采用气动方式驱动。即用4个二位五通电磁阀门(每个阀门有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制4个气缸，使机器人完成伸、缩、上、下、旋转以及手爪抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动；手爪则用一连杆机构使气缸的伸缩运动转化为手爪的抓放运动。
机械手在钢轨上的移动机构采用4个轮子，如图2所示，由伺服电机通过同步轮、同步带传至主动轮子。

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图2 机械手移动机构示意图

1.2.2 图书存储栏
机器人在开始作业前，工作人员将待上架的图书放人图书存储栏中。图书存储栏固定于机器人机身部，随着机器人移动。为了便于机械手从栏中将所需图书取出，须将每本图书间隔开并竖立放置。于是，我们设计了如图3所示的图书存储栏。分别用两块挡板隔成了一个个书槽，将待上架的图书每本分别放置于书槽中，这样使每本图书不会倒下，而且彼此间隔了一定距离，使机械手在扫描到目标图书后，能方便、准确地将之取出。

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图3 图书存储栏

1.2.3 机器人导引装置
本设计中采用了电磁引导方式，原理如图4所示，导引图书馆作业型机器人沿书架旁边直线运动。该方法在地板上开出数厘米深的沟，埋人导线，通以频率为3～10kHz的电流。安装在机器人机身内的敏感线圈，能感知机体与导线间的偏移，从而引导机器人沿导线正确行走。

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图4 引导装置原理图

2 PLC硬件接线和软件编程

本设计中机器人控制需大量的输入点和输出点。因此，我们选用日本三菱公司生产的P1-60MR型可编程序控制器，具有36个输入点，24个输出点，足以满足本设计的要求。
为了更详细地介绍PLC控制图书馆作业型机器人工作原理，我们在此列出了机器人将A1、A2类图书自动上架的程序段，并特别针对机器人将A1类图书上架的程序段进行了详细的说明。图5是PLC的梯形图。

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图5 PLC的梯形图

PLC控制机器人将A1、A2类图书上架的程序框图如图6所示。在此，还写出了相应的梯形图程序。
程序说明如下：
(1)当机器人的机械手位于钢轨前端限位处，并垂直正对书架时，为机器人初始位置。此时，钢轨前端限位开关SQ2，机械手绕Z轴逆时针方向旋转180°限位开关SQ5被压，x402、x405触点接通按下起动按钮SB1时，X400触点接通，Y430线圈接通，机器人前进。
(2)当机器人前进至位置A时，压下限位开关SQ1，x401触点断开Y430线圈，机器人停止前进，正好停在书架A的前面(机器人机身长度与书架宽度相等)。
(3)机械手绕Z轴J顷时针方向旋转至触到限位开关SQ4，此时x404触点断开Y433线圈，机械手停止旋转。此时，机械手已旋转180°至垂直正对图书存储栏。
(4)x404触
点接通线圈Y431，机械手开始在钢轨上沿X轴正方向朝后端移动，寻找A1类图书。

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图6 程序框图

(5)扫描到A1类图书信息，x412触点断开Y431线圈，机械手停止移动，x412触点接通移位寄存器数据输入端，使M100置“1”，Y435线圈接通，机械手手臂伸出。
(6)手臂伸至限位开关SQ6时，X406与M100触点接通移位寄存器移位信号输入端，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，M101接通线圈M200，M200触点接通Y531线圈，手爪夹紧书。同时定时器T450开始计时。M100置“0”，Y435断开，手臂停止伸出。
(7)T450延时到，T450与M101触点接通，产生移位信号，M102为“1”，M100～M101置“0”，M102触点接通Y436线圈，机械手手臂缩回，因为使用S指令，所以M200线圈保持接通，Y531也保持接通，使手爪继续把书加紧。
(8)当手臂缩至限位开关SQ7时，x407与M102触点接通产生移位信号，M103为“l”，M100～M102置“0”。M102断开Y436线圈，停止缩回，同时M103接通Y434线圈，机械手开始绕Z轴逆时针方向旋转。
(9)机械手旋转至限位开关SQ5时，X405与M103触点接通移位信号，M104为“1”，M100-M103置“0”。M103触点断开Y434线圈，停止旋转。此时机械手已逆时针方向旋转180*，正好垂直正对书架。同时，M104接通线圈Y432，机械手开始在钢轨上沿X轴反方向朝前端移动。
(10)移动时，机械手顶端的扫描装置开始扫描
图书条形码信息。当没有条形码信息时，X500与
M104触点接通移位信号，M105为“1”，M100～M104置“0”。M104触点断开Y435线圈，机械手停止移动。同时，M105触点接通Y435线圈，机械手手臂伸出。
(11)手臂伸至限位开关SQ6时，X406与M105触点接通移位信号，M106为“1”，M100～M105置“0”，M105触点断开Y435线圈，手臂停止伸出。同时M106触点接通M200线圈，R指令使M200复位，M200触点断开Y531线圈，手爪松开，放置图书于书栏A1中。同时，T451开始计时。
(12)T451延时到后，T451与M106触点接通移位信号，M107为“1”，M100～M106置“0”，Y436线圈接通，机械手手臂缩回。
(13)手臂缩至限位开关SQ7时，X407与M107触点接通移位信号，M110为“广，M100-M107置“0”，M107断开Y436线圈，手臂停止缩回。同时，M110接通Y432线圈，机械手开始在钢轨上沿轴反方向移动。
(14)机械手移动至限位开关SQ2时，X402与M110触点接通移位信号，M111为“1”，M100～M110置“0”，M110触点断开Y432线圈，机械手停止移动。同时，M111触点接通移位寄存器复位输入端，寄存器全部复位。此时，机器人处于初始位置状态，M111触点接通Y433线圈，机械手又开始绕Z轴顺时针方向旋转，继续寻找A1类图书，反复执行以上步骤。
以上(1)～(14)步骤的程序说明是针对A至B
程序段展开的。若机械手在钢轨上移动至末端限位开关处，说明已扫描完图书存储栏中所有待上架的图书，即已将A1类图书寻找完毕。这时，程序直接跳转至B点后，机器人开始执行A2类图书查找并自动上架任务。
当按下停止按钮SB2时，X501触点作用，使机器人立即停止动作。

3 结束语

本系统采用FX系列PLC控制图书馆作业型机器人，使其按编制的程序自动完成图书上架工作，经实际试运行，表明各项功能均已满足设计要求，且控制系统的可靠性高、故障少，结构部分操作方便，安全可靠，从而节省了劳动力，提高了工作效率。