基于PLC的圖書館作業型機器人工作系統

摘要：介紹了應用可編程控制呂PLC對圖書館作業型機器人進行控制的總體設計思想，并給出了硬件配置和軟件設計，利用PLC控制機器人自動完成圖書上架工作。

研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重而簡單的重復勞動，替代人到有輻射等危險環境中進行作業，因此機器人最早在汽車制造業和核工業領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發展，工業領域的焊接、噴漆、搬運、裝配等場合，已經開始大量使用機器人。工業機器人大都用于簡單、重復、繁重的工作，如上、下料，搬運等，能夠按照預定的順序、條件、位置逐步重復執行給定的作業任務，從而節省了勞動力，提高了工作效率。
可編程控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。由于PLC具有功能強大、可靠性高、體積小巧、可擴展各種智能模塊等特點，使其在自動化領域中的應用日益普及。本文采用FX系列PLC控制圖書館作業型機器人，使其按編制的程序自動完成圖書上架工作。

1 系統原理及結構

1.1 系統原理
圖書館作業型機器人工作系統結構示意圖如圖1所示。機器人機身長度l1與書架寬度l2相等。機身部裝有圖書存儲欄和與之相平行的鋼軌，機械手安裝在鋼軌上并可沿X方向在鋼軌上移動。機械手頂端安裝一掃描裝置，用于讀取圖書信息，以配合機械手執行圖書分類上架任務。機器人機身部裝有接近傳感器，主要用于感應機器人和外部物體的接近程度，使機器人可通過緊急制動來避免與書架、墻壁以及意外障礙物的碰撞。

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圖1 機器人結構示意圖

當PLC接收到開始信號時，機器人行駛至位置A后停止，機械手繞Z軸沿順時針方向旋轉180°至垂直正對圖書存儲欄，開始從圖書存儲欄中尋找A1類圖書。這時，機械手在鋼軌上沿X軸正方向朝鋼軌末端移動，頂端掃描裝置同時掃描圖書存儲欄中待上架圖書的條形碼，直至掃描到A1類圖書停止，機械手伸出手臂將之取出，手爪夾緊書后手臂縮回，接著機械手繞Z軸沿逆時針方向旋轉180°至垂直正對書架A1欄，然后沿X軸反方向朝鋼軌前端移動，頂端掃描裝置同時掃描書架A1欄中放置的圖書的條形碼，直至運動至五條形碼信息處(即書架A1欄中未放置圖書的空隙處)停止。機械手伸出手臂將圖書放人A1欄中，然后將手臂縮回，完成一本圖書的上架任務。由于圖書存儲欄中可能還存在A1類圖書，這就需要繼續尋找A1類圖書。這時，機械手又運動至鋼軌前端限位處(即初始位置)，并繞Z軸順時針方向旋轉180°至垂直正對圖書存儲欄，又開始重復循環進行上述動作(掃描目標圖書刁取書呻上架)，直至機械手移動至鋼軌末端，掃描完圖書存儲欄中最后一本圖書，才說明已尋找完圖書存儲欄中所有A1類圖書。若最后一本書是A1類圖書，機械手則繼續按上述步驟完成上架任務，然后移動至鋼軌前端，準備開始A2類圖書的上架工作；若不是A1類圖書，機械手則立即移動至鋼軌前端，準備開始A2類圖書的上架工作。機器人將A2、A3類圖書上架的工作原理與上述原理基本相似，只是機械手將圖書上架時需伸高一定高度至A2、A3欄。就這樣，機器人在PLC控制下順序完成了書架A中圖書的上架工作。接著，機器人又行駛至位置B后停止，的上架工作。
1.2 系統結構
1.2.1 機械手
本作業型機器人中機械手具有四個自由度，即水平方向的伸、縮；豎直方向的升、降；繞豎直軸Z軸的順時針方向旋轉及逆時針方向旋轉；沿X方向在鋼軌上的移動。另外，其末端安裝了執行裝置——手爪，可完成抓、放動作。
以上動作均采用氣動方式驅動。即用4個二位五通電磁閥門(每個閥門有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制4個氣缸，使機器人完成伸、縮、上、下、旋轉以及手爪抓放動作。其中旋轉運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉化為旋轉運動；手爪則用一連桿機構使氣缸的伸縮運動轉化為手爪的抓放運動。
機械手在鋼軌上的移動機構采用4個輪子，如圖2所示，由伺服電機通過同步輪、同步帶傳至主動輪子。

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圖2 機械手移動機構示意圖

1.2.2 圖書存儲欄
機器人在開始作業前，工作人員將待上架的圖書放人圖書存儲欄中。圖書存儲欄固定于機器人機身部，隨著機器人移動。為了便于機械手從欄中將所需圖書取出，須將每本圖書間隔開并豎立放置。于是，我們設計了如圖3所示的圖書存儲欄。分別用兩塊擋板隔成了一個個書槽，將待上架的圖書每本分別放置于書槽中，這樣使每本圖書不會倒下，而且彼此間隔了一定距離，使機械手在掃描到目標圖書后，能方便、準確地將之取出。

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圖3 圖書存儲欄

1.2.3 機器人導引裝置
本設計中采用了電磁引導方式，原理如圖4所示，導引圖書館作業型機器人沿書架旁邊直線運動。該方法在地板上開出數厘米深的溝，埋人導線，通以頻率為3～10kHz的電流。安裝在機器人機身內的敏感線圈，能感知機體與導線間的偏移，從而引導機器人沿導線正確行走。

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圖4 引導裝置原理圖

2 PLC硬件接線和軟件編程

本設計中機器人控制需大量的輸入點和輸出點。因此，我們選用日本三菱公司生產的P1-60MR型可編程序控制器，具有36個輸入點，24個輸出點，足以滿足本設計的要求。
為了更詳細地介紹PLC控制圖書館作業型機器人工作原理，我們在此列出了機器人將A1、A2類圖書自動上架的程序段，并特別針對機器人將A1類圖書上架的程序段進行了詳細的說明。圖5是PLC的梯形圖。

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圖5 PLC的梯形圖

PLC控制機器人將A1、A2類圖書上架的程序框圖如圖6所示。在此，還寫出了相應的梯形圖程序。
程序說明如下：
(1)當機器人的機械手位于鋼軌前端限位處，并垂直正對書架時，為機器人初始位置。此時，鋼軌前端限位開關SQ2，機械手繞Z軸逆時針方向旋轉180°限位開關SQ5被壓，x402、x405觸點接通按下起動按鈕SB1時，X400觸點接通，Y430線圈接通，機器人前進。
(2)當機器人前進至位置A時，壓下限位開關SQ1，x401觸點斷開Y430線圈，機器人停止前進，正好停在書架A的前面(機器人機身長度與書架寬度相等)。
(3)機械手繞Z軸J頃時針方向旋轉至觸到限位開關SQ4，此時x404觸點斷開Y433線圈，機械手停止旋轉。此時，機械手已旋轉180°至垂直正對圖書存儲欄。
(4)x404觸
點接通線圈Y431，機械手開始在鋼軌上沿X軸正方向朝后端移動，尋找A1類圖書。

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圖6 程序框圖

(5)掃描到A1類圖書信息，x412觸點斷開Y431線圈，機械手停止移動，x412觸點接通移位寄存器數據輸入端，使M100置“1”，Y435線圈接通，機械手手臂伸出。
(6)手臂伸至限位開關SQ6時，X406與M100觸點接通移位寄存器移位信號輸入端，產生移位信號，M100的“1”態移至M101，M101接通線圈M200，M200觸點接通Y531線圈，手爪夾緊書。同時定時器T450開始計時。M100置“0”，Y435斷開，手臂停止伸出。
(7)T450延時到，T450與M101觸點接通，產生移位信號，M102為“1”，M100～M101置“0”，M102觸點接通Y436線圈，機械手手臂縮回，因為使用S指令，所以M200線圈保持接通，Y531也保持接通，使手爪繼續把書加緊。
(8)當手臂縮至限位開關SQ7時，x407與M102觸點接通產生移位信號，M103為“l”，M100～M102置“0”。M102斷開Y436線圈，停止縮回，同時M103接通Y434線圈，機械手開始繞Z軸逆時針方向旋轉。
(9)機械手旋轉至限位開關SQ5時，X405與M103觸點接通移位信號，M104為“1”，M100-M103置“0”。M103觸點斷開Y434線圈，停止旋轉。此時機械手已逆時針方向旋轉180*，正好垂直正對書架。同時，M104接通線圈Y432，機械手開始在鋼軌上沿X軸反方向朝前端移動。
(10)移動時，機械手頂端的掃描裝置開始掃描
圖書條形碼信息。當沒有條形碼信息時，X500與
M104觸點接通移位信號，M105為“1”，M100～M104置“0”。M104觸點斷開Y435線圈，機械手停止移動。同時，M105觸點接通Y435線圈，機械手手臂伸出。
(11)手臂伸至限位開關SQ6時，X406與M105觸點接通移位信號，M106為“1”，M100～M105置“0”，M105觸點斷開Y435線圈，手臂停止伸出。同時M106觸點接通M200線圈，R指令使M200復位，M200觸點斷開Y531線圈，手爪松開，放置圖書于書欄A1中。同時，T451開始計時。
(12)T451延時到后，T451與M106觸點接通移位信號，M107為“1”，M100～M106置“0”，Y436線圈接通，機械手手臂縮回。
(13)手臂縮至限位開關SQ7時，X407與M107觸點接通移位信號，M110為“廣，M100-M107置“0”，M107斷開Y436線圈，手臂停止縮回。同時，M110接通Y432線圈，機械手開始在鋼軌上沿軸反方向移動。
(14)機械手移動至限位開關SQ2時，X402與M110觸點接通移位信號，M111為“1”，M100～M110置“0”，M110觸點斷開Y432線圈，機械手停止移動。同時，M111觸點接通移位寄存器復位輸入端，寄存器全部復位。此時，機器人處于初始位置狀態，M111觸點接通Y433線圈，機械手又開始繞Z軸順時針方向旋轉，繼續尋找A1類圖書，反復執行以上步驟。
以上(1)～(14)步驟的程序說明是針對A至B
程序段展開的。若機械手在鋼軌上移動至末端限位開關處，說明已掃描完圖書存儲欄中所有待上架的圖書，即已將A1類圖書尋找完畢。這時，程序直接跳轉至B點后，機器人開始執行A2類圖書查找并自動上架任務。
當按下停止按鈕SB2時，X501觸點作用，使機器人立即停止動作。

3 結束語

本系統采用FX系列PLC控制圖書館作業型機器人，使其按編制的程序自動完成圖書上架工作，經實際試運行，表明各項功能均已滿足設計要求，且控制系統的可靠性高、故障少，結構部分操作方便，安全可靠，從而節省了勞動力，提高了工作效率。