工業(yè)機器人示教系統(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)機器人上的示教系統(tǒng)，機器人控制器采用現(xiàn)有的STM32控制器，機器人示教器選取步科觸摸屏作為上位機，利用Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)機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)計實現(xiàn)各種功能的多關(guān)節(jié)多自由度的機器裝置。隨著工藝越來越復(fù)雜，為了便于人類更好控制機器人，人類研究出機器人的示教再現(xiàn)功能。示教主要是使用機器人的示教器，使機器人能夠?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)容存儲起來。再現(xiàn)是指機器人能夠按照已經(jīng)存儲的任務(wù)程序進行運動。（李曉婷.基于WinCE的焊接機器人示教系統(tǒng)研究[D].沈陽:生養(yǎng)工業(yè)大學(xué),2018）通過示教再現(xiàn)功能機器人可以快捷的學(xué)習(xí)目標任務(wù)的軌跡路線，而不用變動現(xiàn)場的任何硬件設(shè)施，所以研究機器人的示教系統(tǒng)在工業(yè)上具有重要意義。

1機器人系統(tǒng)總體設(shè)計

工業(yè)機器人的示教系統(tǒng)一般由機器人本體、機器人控制器和機器人示教器三部分組成，三者相互獨立而又在功能上相互關(guān)聯(lián)。（王正陽.嵌入式系統(tǒng)機器人示教器人機交互界面設(shè)計實驗及研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017）機器人本體是指組成機器人的伺服驅(qū)動系統(tǒng)和伺服電機，驅(qū)動體系為機器人本體提供能源，伺服電機作為機器人任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)，細化到轉(zhuǎn)動具體角度；機器人的控制器主要實現(xiàn)對機器人的控制和對工藝環(huán)境的檢測，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)動體系；機器人的示教器主要包含人機交互界面的開發(fā)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2機器人控制器設(shè)計

機器人控制器是工業(yè)機器人本體的驅(qū)動系統(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)的電機的驅(qū)動程序和控制器所帶外設(shè)驅(qū)動程序。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作為載體進行Modbus通信協(xié)議來實現(xiàn)機器人控制器和機器人示教器之間的通信。其數(shù)據(jù)幀的簡單處理過程如圖3所示。

3機器人示教器設(shè)計

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

4測試

為了驗證工業(yè)機器人示教系統(tǒng)的實用性，我們搭建測試平臺，使用步科觸摸屏作為工業(yè)機器人示教器，通過在步科觸摸屏上組態(tài)界面進行人機交互；使用STM32控制器作為工業(yè)機器人的控制器，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)動器和電機作為機器人的本體和驅(qū)動系統(tǒng)。測試環(huán)境如圖5所示。5結(jié)論根據(jù)多次測試可以驗證機器人示教器和機器人控制器之間的通信并無差錯，同時通過機器人示教器上的組態(tài)界面很好的完成了人機交互的功能，并同時驗證了機器人控制器的開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動程序、模擬量輸入輸出驅(qū)動程序、電機的驅(qū)動和T型調(diào)速算法等的正確性，為工業(yè)機器人示教系統(tǒng)的后續(xù)研究與應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

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