工業(yè)機(jī)器人嵌入式示教盒設(shè)計(jì)

趙鳳申，李愛芹，吳文祥

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010；2.浙江大學(xué) 流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

工業(yè)機(jī)器人嵌入式示教盒設(shè)計(jì)

趙鳳申1，李愛芹1，吳文祥2

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010；2.浙江大學(xué) 流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

設(shè)計(jì)了一種便攜式工業(yè)機(jī)器人示教盒。在分析示教盒的便攜性要求和人機(jī)界面影響因素的基礎(chǔ)上，提出采用ARM7TDMI內(nèi)核和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；充分利用PS／2鍵盤的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)便捷的程序輸入和機(jī)器人控制；搭載μ C／GUI和LWIP模塊實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)通信；通過分析編程語言語法結(jié)構(gòu)并結(jié)合Nand-Flash的讀寫特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)示教文件的本地存儲(chǔ)和傳輸；并根據(jù)語法、詞法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PC端程序解釋器，完成編程語言向執(zhí)行代碼的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐應(yīng)用表明，該示教盒人機(jī)界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和一定的擴(kuò)充能力，能夠顯著提高在線示教的作業(yè)效率。

機(jī)器人；示教盒；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

0 前言

不同的工業(yè)機(jī)器人編程方式對(duì)生產(chǎn)效率影響明顯。其一是離線編程，該方式多與虛擬仿真相結(jié)合，對(duì)工作環(huán)境三維建模，由軟件自動(dòng)生成程序代碼并經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)下載后執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)無人值守，但該方式需要精確的三維模型、高技能的操作人員以及完善的自動(dòng)化生產(chǎn)線，并對(duì)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度要求較高，但是其受到末端負(fù)載質(zhì)量等多因素影響，很難保證精度。而在線示教則由示教盒帶動(dòng)機(jī)器人到關(guān)鍵點(diǎn)，記錄下該點(diǎn)的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模式等信息，最后以指定運(yùn)動(dòng)模式復(fù)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡。在線示教方式需要占用作業(yè)時(shí)間，但其只要求機(jī)器人具有較高的重復(fù)定位精度，易于實(shí)現(xiàn)。

為提高錢江一號(hào)工業(yè)機(jī)器人在線示教效率，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)通信的、人機(jī)界面友好的嵌入式式示教盒。

1 示教盒功能定位和方案規(guī)劃

示教盒作為人機(jī)交互的關(guān)鍵接口，其操作界面的友好程度直接影響作業(yè)效率。一般來說，示教盒主要功能分為兩部分：一是機(jī)器人參數(shù)設(shè)定和讀取，如切換坐標(biāo)系統(tǒng)、設(shè)置焊接參數(shù)、工具參數(shù)校正、關(guān)節(jié)位置設(shè)定等；二是示教文件的生成、讀取、保存和傳輸。為提高人機(jī)交互的便利性，示教盒應(yīng)具備可視面積較大的液晶顯示屏、豐富的圖文信息顯示和狀態(tài)提示、較多的操作按鍵、指示燈等輔助提示功能；同時(shí)，應(yīng)具有便攜性，重心適中，降低人員的手部負(fù)擔(dān)，并采用容錯(cuò)性好的高速通信協(xié)議等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)小巧、價(jià)格低廉，但是片內(nèi)資源和運(yùn)行頻率受限，無法加載優(yōu)秀軟件平臺(tái)和人機(jī)界面，而嵌入式工控主板性能強(qiáng)勁，但體積、功耗偏大，功能冗余。在此采用ARM主控方案，該處理器采用高效的精簡(jiǎn)指令集，片載資源豐富，擴(kuò)充能力強(qiáng)，能夠植入多種嵌入式操作系統(tǒng)，方便加載圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等，具有較強(qiáng)的定制開發(fā)能力。

顯示屏作為人機(jī)交互的關(guān)鍵界面，其交互性、易讀性和提示性將直接影響人機(jī)交互的效率。當(dāng)前，各廠商示教盒大多采用色彩、圖形、文字等要素作為人機(jī)交互引導(dǎo)媒介，大多整合了觸摸屏。本設(shè)計(jì)中采用640×480點(diǎn)陣256色LCD，內(nèi)部自帶刷新電路，屏幕附載電阻式觸摸屏，通過SPI總線將觸摸點(diǎn)的相關(guān)信息發(fā)送至主控制器，根據(jù)需要將液晶屏幕劃分系統(tǒng)狀態(tài)提示區(qū)、緊急狀態(tài)提示區(qū)、主菜單區(qū)、公用顯示區(qū)(實(shí)現(xiàn)次級(jí)菜單顯示、程序編輯顯示、運(yùn)行過程提示等)，不同區(qū)域使用不同的背景色加以區(qū)分，提高視覺辨識(shí)度。

鍵盤是人機(jī)交互的另一重要途徑。在示教盒上，主要完成以下功能：程序編輯與數(shù)字錄入、關(guān)節(jié)控制與速度切換、外部設(shè)備控制、急停等。鍵位分布遵循易用、安全的原則，對(duì)于同功能區(qū)的常用鍵左右對(duì)稱分布，實(shí)現(xiàn)雙手操作，提高輸入效率；外部設(shè)備控制、運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試等功能鍵必須雙手雙鍵操作，避免誤觸按鍵引起安全問題，部分輔助按鍵與觸屏點(diǎn)擊功能相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD功能區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)的切換，提高人機(jī)界面的友好性。

示教盒總計(jì)需要按鍵60個(gè)以上，傳統(tǒng)矩陣式鍵盤占用較多的I／O口和掃描時(shí)間，盡管8279最多能擴(kuò)充至64個(gè)按鍵，但也略顯不足。本示教盒采用計(jì)算機(jī)用PS／2鍵盤芯片82K628A，最多可擴(kuò)充至128個(gè)按鍵，使用PS／2協(xié)議與處理器通信，只需占用兩個(gè)I／O口。本設(shè)計(jì)中采用第三套編碼，它能夠設(shè)定單個(gè)按鍵只發(fā)送“通碼”(Make Code，按鍵按下)、“斷碼”(Break Code，按鍵彈起)或機(jī)打碼(Typematic，按鍵按住后周期性發(fā)送編碼)，由于機(jī)打碼周期性發(fā)送，對(duì)于關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)、方向控制按鍵來說十分方便，否則必須由操作人員反復(fù)按鍵或由處理器判斷鍵盤通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。而部分功能性按鍵(如坐標(biāo)切換)則只需要設(shè)定通碼即可。

為保障人員、設(shè)備安全，在示教盒、機(jī)柜上設(shè)置有急停按鈕，而機(jī)器人末端的碰撞傳感器、安全護(hù)欄信號(hào)同樣作為急停信號(hào)處理，急停信號(hào)采用硬件直連。由于焊接過程干擾較大，急停按鈕距離控制柜較遠(yuǎn)，因而對(duì)于急停開關(guān)信號(hào)采用電流環(huán)變送至主控制器，經(jīng)或門運(yùn)算后直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)繼電器使伺服電機(jī)斷電，并將該信號(hào)送至主控制器外部中端口，主控制器進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，通過I／O口讀入8-3譯碼器(74LS148)輸出，進(jìn)而判斷何處出現(xiàn)故障，并將故障信息采用網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送至示教盒，提示用戶操作。急停控制電路如圖1所示。

圖1 急停按鈕電路結(jié)構(gòu)

示教盒與主控制器之間采用以太網(wǎng)通信，該通信方式效率高、速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，便于控制命令和程序文件的傳輸。同時(shí)，以太網(wǎng)擴(kuò)展性強(qiáng)，加入路由等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可通過示教盒實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人控制，或由遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)離線編程等功能。

示教盒采用Nand-Flash存儲(chǔ)程序代碼和用戶示教程序，使用Nor-Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)程序代碼，配備SRAM作為系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存，以太網(wǎng)芯片RTL8019AS完成網(wǎng)絡(luò)通信，以上芯片采用總線的方式與處理器相連接。圖2為系統(tǒng)硬件原理框圖，圖3為示教盒實(shí)物圖。

圖2 示教盒硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 示教盒實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人示教盒需要多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，如屏幕顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸、示教文件讀寫、鍵盤響應(yīng)等，為了提高其實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成任務(wù)切換和優(yōu)先級(jí)管理。而為提高系統(tǒng)的人機(jī)交互性能，充分利用系統(tǒng)硬件資源，則需要開發(fā)合適的圖形用戶界面(GUI)。

本示教盒移植μ C／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在其上移植μ C／GUI和LWIP協(xié)議棧，用以完成人機(jī)界面設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)通信。

3.1 μ C／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植

μ C／OS-Ⅱ是一個(gè)輕量級(jí)占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核小巧，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，源碼開放移植方便，易于開發(fā)維護(hù)，最多能夠管理56個(gè)用戶任務(wù)，利于擴(kuò)展。

μ C／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植已經(jīng)比較成熟[1]，經(jīng)過移植后，采用OSTaskCreate()函數(shù)完成任務(wù)的創(chuàng)建。

3.2 μ C／GUI的移植

μ C／GUI是廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面系統(tǒng)，包括豐富的二維繪圖庫、多字體、位圖、彩色和灰度顯示功能，并具備Windows風(fēng)格對(duì)話框和各種控件(按鈕、編輯框、滑動(dòng)條等)以及與觸摸屏設(shè)備的接口，其輕量級(jí)的特性十分適合在示教盒中使用。其移植主要通過修改配置文件等，使之與具體硬件平臺(tái)匹配[2]，用戶通過調(diào)用μ C／GUI系統(tǒng)層提供的API，實(shí)現(xiàn)圖形界面的繪制。

3.3 LWIP功能模塊的移植

LWIP是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的一套輕量級(jí)TCP／IP協(xié)議棧，ROM和RAM占用較低，示教盒采用該協(xié)議棧完成與主控制器的通信與控制。通過修改在／src／arch目錄下的文件既可以完成協(xié)議棧的移植[3]。

4 解釋器設(shè)計(jì)

由于工業(yè)機(jī)器人的操作人員多為一線工人，要求機(jī)器人編程語言簡(jiǎn)潔易學(xué)，直觀易讀，而機(jī)器人工作流程相對(duì)固定，因而編程語言多采用面向任務(wù)的描述性語言，如VAL、VAL-II語言等，該類語言上下文語句的關(guān)聯(lián)耦合較弱，代碼長(zhǎng)度有限，語句結(jié)構(gòu)多采用“操作方法+操作數(shù)據(jù)”的結(jié)構(gòu)形式：

MOVJ VJ＝25 PL＝1

上述語句含義為以關(guān)節(jié)插補(bǔ)方式，以全速25%的速度運(yùn)轉(zhuǎn)到目標(biāo)點(diǎn)，位置接近等級(jí)為1，目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包含在語句中，但為視圖簡(jiǎn)潔并未顯示。用戶輸入過程中，屏幕提示該語句的語法結(jié)構(gòu)，由用戶切換可選的操作方法和操作數(shù)據(jù)，完成語句的格式化輸入，因而該種編程方式極少出現(xiàn)語法、詞法方面的錯(cuò)誤。綜合該語言的以上特點(diǎn)，并且限于嵌入式系統(tǒng)的性能，示教文件由示教盒端輸入和存儲(chǔ)，而由主控制器完成解釋和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并且簡(jiǎn)化解釋器的詞法、語法結(jié)構(gòu)分析功能[4-5]。

4.1 示教文件的結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)

本示教盒的示教文件主要存儲(chǔ)于Nand-Flash (K9F5608)中，可經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收。該Nand-Flash總計(jì)2 048塊(block)，每塊32頁(page)，每頁512字節(jié)(bytes)，由于示教文件一般語句不多，每個(gè)語句占用24字節(jié)(見表4)，而Nand-Flash按頁讀寫、按塊擦除，為操作方便，每塊存儲(chǔ)一個(gè)示教文件(其中包含文件名等信息)程序語句最大約680行，基本能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。Nand-Flash的第一塊用作索引區(qū)，記錄哪些塊被占用，便于檢索時(shí)識(shí)別。

表4 示教語句的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

由于示教文件執(zhí)行添加、刪除等編輯操作，使得同一示教文件的存儲(chǔ)關(guān)系和語句順序打亂，因而示教文件內(nèi)前后語句的關(guān)聯(lián)關(guān)系采用鏈表鏈接，鏈表結(jié)構(gòu)為：

刪除、修改、添加語句操作對(duì)應(yīng)的都是鏈表節(jié)點(diǎn)的回收和變更，如果MotionType代碼為0x00則表示程序結(jié)束，該鏈表結(jié)構(gòu)同樣適用于其他功能語句，如起弧ARCON等。

4.2 程序解釋器的實(shí)現(xiàn)流程

示教程序的解釋工作主要由主控制器的工控機(jī)完成，在其上利用Embedded Visual C++編寫解釋程序，完成示教文件的網(wǎng)絡(luò)接收，利用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，按照指定的運(yùn)動(dòng)模式完成路徑軌跡規(guī)劃，再利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)生成關(guān)節(jié)脈沖數(shù)，經(jīng)過多軸控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。

示教解釋器的工作流程采用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)實(shí)現(xiàn)，通過讀取示教文件的關(guān)鍵字代碼(如0x10代表MOVJ)作為狀態(tài)切換觸發(fā)信號(hào)，該狀態(tài)內(nèi)的動(dòng)作為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；而對(duì)于關(guān)聯(lián)性語句(如四個(gè)MOVC語句描述一個(gè)封閉圓)進(jìn)行預(yù)讀，再次使用其內(nèi)部的條件語句完成語句解析。具體程序?qū)崿F(xiàn)上采用C語言中的switch-case語句完成狀態(tài)切換。

5 實(shí)物運(yùn)行效果及結(jié)論

圖4為在經(jīng)由示教盒輸入程序完成的圓弧和直線軌跡的焊接，實(shí)際焊接效果良好，證實(shí)了示教盒方案的適用性。

圖4 實(shí)際焊接效果

大量使用證明，示教盒運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，尤其是屏幕、觸摸屏、鍵盤配合極大地提高了輸入效率，便攜性好，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠快速響應(yīng)輸入命令，在本機(jī)上實(shí)現(xiàn)了示教文件的讀寫。并且，通過示教盒與機(jī)器人控制器聯(lián)網(wǎng)通信，完成了本體關(guān)節(jié)、外部設(shè)備控制，系統(tǒng)狀態(tài)讀取，示教文件的發(fā)送、接收、本地存儲(chǔ)和列表顯示，控制器端的解釋器能夠完成示教文件的解釋并最終機(jī)器人代碼。網(wǎng)絡(luò)通絡(luò)通訊穩(wěn)定可靠。控制柜、示教盒、機(jī)器人本體上的緊急信號(hào)能夠快速匯總顯示示教盒上。

[1]韓志耕，王 健.實(shí)時(shí)內(nèi)核uC／OS-II在S3C44B0X上移植的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(5)：828-830.

[2]徐寶國，宋愛國.基于UCOS和UCGUI的嵌入式數(shù)字示波器[J].測(cè)控技術(shù)，2007，26(7)：7-8.

[3]曾繁沖，羅代升，蘇 毅.基于UC／OS-II的UCGUI和LWIP資源整合的研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(5)：614-617.

[4]陳 英.編譯原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[5]王 浩，謝存禧.開放式機(jī)器人解釋器的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(8)：167-168.

Design of embedded teaching-programming pendant for industrial robot

ZHAO Feng-shen1，LI Ai-qin1，WU Wen-xiang2
(1.Department of Mechanical Engineering，Nantong Shipping College，Nantong 226010，China；2.State Key Lab of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

A teaching-programming pendant of portability and rapid input for industrial robot is designed.By analyzing the influencing factor of portability and user-friendly interface，a scheme is advanced based on ARM7TDMI and embedded real-time operation system，which makes the best of PS／2 keyboard for program input and robot remote control，and transplants μ C／GUI and LWIP to realize graph user interface and Ethernet communication.A program interpreter and local storage methods of program files is raised in consideration of the syntactic structure of programming language and read-write processes of Nand-Flash，then the robot can go into operation by the codes generated from the interpreter.Practices proves that this teaching pendant is user-friendly，efficient，practical，stable，and of strong expandability.

robot；teaching-programming pendant；RTOS

TG409

B

1001-2303(2011)12-0009-04

2011-08-24

南通市應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(K2010033)

趙鳳申(1982—)，男，河南商水人，講師，碩士，主要從事機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的研究工作。