工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)研究與應(yīng)用

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本文介紹了一種應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人上的示教系統(tǒng)，機(jī)器人控制器采用現(xiàn)有的STM32控制器，機(jī)器人示教器選取步科觸摸屏作為上位機(jī)，利用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人控制器和示教器之間的通信完成不同的控制任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人是一種面向工業(yè)領(lǐng)域能夠在各種惡劣環(huán)境下根據(jù)工藝要求通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種功能的多關(guān)節(jié)多自由度的機(jī)器裝置。隨著工藝越來越復(fù)雜，為了便于人類更好控制機(jī)器人，人類研究出機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能。示教主要是使用機(jī)器人的示教器，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)所需的操作順序、速度、位置等，并將示教過程中的內(nèi)容存儲(chǔ)起來。再現(xiàn)是指機(jī)器人能夠按照已經(jīng)存儲(chǔ)的任務(wù)程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。（李曉婷.基于WinCE的焊接機(jī)器人示教系統(tǒng)研究[D].沈陽:生養(yǎng)工業(yè)大學(xué),2018）通過示教再現(xiàn)功能機(jī)器人可以快捷的學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)的軌跡路線，而不用變動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的任何硬件設(shè)施，所以研究機(jī)器人的示教系統(tǒng)在工業(yè)上具有重要意義。

1機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人的示教系統(tǒng)一般由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器和機(jī)器人示教器三部分組成，三者相互獨(dú)立而又在功能上相互關(guān)聯(lián)。（王正陽.嵌入式系統(tǒng)機(jī)器人示教器人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017）機(jī)器人本體是指組成機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)體系為機(jī)器人本體提供能源，伺服電機(jī)作為機(jī)器人任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，細(xì)化到轉(zhuǎn)動(dòng)具體角度；機(jī)器人的控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制和對(duì)工藝環(huán)境的檢測(cè)，控制器作為橋梁把示教器發(fā)送的具體任務(wù)指令通過特定的協(xié)議傳遞給底層的驅(qū)動(dòng)體系；機(jī)器人的示教器主要包含人機(jī)交互界面的開發(fā)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制器是工業(yè)機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要是指控制器，本文所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制器是基于STM32開發(fā)的，如圖2所示；軟件部分主要是指專業(yè)技術(shù)人員所開發(fā)的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序和控制器所帶外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。由于控制器已經(jīng)研發(fā)成功，在此主要討論在控制器上設(shè)計(jì)與示教器的通信協(xié)議，常用的通信協(xié)議有USB通信、以太網(wǎng)通信和串口通信。USB通信在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x較短并且其傳輸數(shù)據(jù)的處理很復(fù)雜；以太網(wǎng)通信常常需要添加特定的T-BOX以太網(wǎng)模塊導(dǎo)致控制成本增加；而串口通信在傳輸距離滿足機(jī)器人常用環(huán)境下的要求，并且傳輸介質(zhì)只需要兩根線就可以實(shí)現(xiàn)通信功能成本極低，因此我們的控制系統(tǒng)選擇RS-485作為載體進(jìn)行Modbus通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器和機(jī)器人示教器之間的通信。其數(shù)據(jù)幀的簡(jiǎn)單處理過程如圖3所示。

3機(jī)器人示教器設(shè)計(jì)

機(jī)器人示教器作為使用者與機(jī)器人控制器之間的橋梁（朱文博.基于多人機(jī)交互模式的機(jī)器人示教系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢:華中科技大學(xué),2018），一方面，使用者通過示教器上面的人機(jī)交互界面可以直接將要傳達(dá)的任務(wù)指令依據(jù)界面按鈕等功能鍵發(fā)送給機(jī)器人控制器，另一方面，機(jī)器人控制器通過所接的傳感器將采集到的周圍環(huán)境實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)器人示教器上的人機(jī)界面顯示出來，供使用者清晰的判斷當(dāng)前機(jī)器人的工作狀態(tài)及工作環(huán)境。圖4所示是在機(jī)器人示教器上的模擬量輸入輸出人機(jī)界面。

4測(cè)試

為了驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的實(shí)用性，我們搭建測(cè)試平臺(tái)，使用步科觸摸屏作為工業(yè)機(jī)器人示教器，通過在步科觸摸屏上組態(tài)界面進(jìn)行人機(jī)交互；使用STM32控制器作為工業(yè)機(jī)器人的控制器，上面下載著Modbus通信協(xié)議和所有的有關(guān)工藝的一切程序；使用英威騰的伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)作為機(jī)器人的本體和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。測(cè)試環(huán)境如圖5所示。5結(jié)論根據(jù)多次測(cè)試可以驗(yàn)證機(jī)器人示教器和機(jī)器人控制器之間的通信并無差錯(cuò)，同時(shí)通過機(jī)器人示教器上的組態(tài)界面很好的完成了人機(jī)交互的功能，并同時(shí)驗(yàn)證了機(jī)器人控制器的開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動(dòng)程序、模擬量輸入輸出驅(qū)動(dòng)程序、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和T型調(diào)速算法等的正確性，為工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的后續(xù)研究與應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者：杜文學(xué) 李適 王欽若 單位：廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院