MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人實時控制平臺研究

徐呈藝，陳廣健，徐曉峰，焦恩璋

(1.南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226007;2.江蘇蘇美達(dá)集團(tuán)公司，南京 210018;3.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制和程序編制一般是通過示教盒來實現(xiàn)，其功能相對比較簡單，控制范圍半徑較小，在惡劣的環(huán)境下，其作用就會受到限制。隨著計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展和工業(yè)自動化水平不斷的提升，實時控制系統(tǒng)的研究成為機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)［1］。主控計算機(jī)可通過控制系統(tǒng)的人機(jī)控制界面直接對機(jī)器人進(jìn)行控制，可加大原有對機(jī)器人的控制范圍，給操作人員創(chuàng)造了一個良好、安全的操作環(huán)境。本文以MOTOMAN-UP6機(jī)器人為對象，采用VC++語言開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人實時控制平臺，為實現(xiàn)基于視覺技術(shù)的機(jī)器人搬運(yùn)，分揀等實時控制作業(yè)打下了重要的基礎(chǔ)。

1 機(jī)器人實時控制系統(tǒng)的組成與模塊設(shè)計

這里研究的工業(yè)機(jī)器人實時控制系統(tǒng)由主控計算機(jī)，UP6機(jī)器人、YASNAC-XRC控制柜和攝像頭組成，如圖1，UP6 機(jī)器人具有 S，L，R，U，B 和 T 六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)［2］。由于YASNAC-XRC控制柜不支持以太網(wǎng)通信，因此，工業(yè)機(jī)器人通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口和主控計算機(jī)進(jìn)行通訊，可以向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送控制指令或作業(yè)程序，并接收機(jī)器人反饋信息［3-4］。

本文研究的機(jī)器人實時控制平臺主要有“狀態(tài)命令”、“操作命令”和“其他功能”三個模塊組成，采用Visual C++6.0語言設(shè)計的UP6機(jī)器人實時控制的軟件界面設(shè)計如圖2所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

圖2 UP6機(jī)器人實時控制軟件主界面

(1）“狀態(tài)命令”模塊

“上伺服”和“下伺服”功能實現(xiàn)了對伺服電源的通斷控制，“示教模式”和“運(yùn)行模式”功能實現(xiàn)了對示教狀態(tài)的選擇控制，“回位”功能實現(xiàn)了機(jī)器人各關(guān)節(jié)回到起始位置的狀態(tài)，即機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為零的狀態(tài)。

(2）“操作命令”模塊

“關(guān)節(jié)脈沖式”和“關(guān)節(jié)坐標(biāo)式”功能模塊都可以控制機(jī)器人以某一速度用關(guān)節(jié)的插補(bǔ)方式運(yùn)動到某一位姿。前者用六個關(guān)節(jié)的脈沖數(shù)描述位姿，后者用直角坐標(biāo)值即(X，Y，Z，RX，RY，RZ）描述位姿。同理，“直線脈沖式”和“直線坐標(biāo)式”模塊都可以控制機(jī)器人以某一速度用直線的插補(bǔ)方式運(yùn)動到某一位姿，前者用六個關(guān)節(jié)的脈沖數(shù)描述位姿，操作對話框如圖3，后者用直角坐標(biāo)值(X，Y，Z，RX，RY，RZ）描述位姿，操作對話框如圖4。

圖3 “直線脈沖式”操作對話框

圖4 “直線坐標(biāo)式”操作對話框

“單步運(yùn)行”功能模塊是對UP6機(jī)器人功能的擴(kuò)展，根據(jù)操作者設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)，可實現(xiàn)對機(jī)器人末端執(zhí)行器直角坐標(biāo)系下單個自由度方向的運(yùn)動控制，或關(guān)節(jié)坐標(biāo)方式下單個關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制。

“程序運(yùn)行”功能模塊可使“傳送文件”功能實現(xiàn)的機(jī)器人控制柜中的作業(yè)文件執(zhí)行。

(3）“其他功能”模塊

“傳送文件”功能模塊可將操作者選擇的MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人可執(zhí)行JBI格式文件下載到執(zhí)行機(jī)器人控制柜中。“接收文件”功能模塊可將器人控制柜中可執(zhí)行程序JBI格式文件上傳到主控計算機(jī)中，實現(xiàn)了計算機(jī)與機(jī)器人之間的高速數(shù)據(jù)交換以及對控制柜中作業(yè)文件的管理。

“視頻”功能模塊功能采用圖像監(jiān)控手段可實時顯示機(jī)器人的操作畫面，便于操作者對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，避免與機(jī)器人同在一些惡劣環(huán)境下工作，同時也是采用視覺技術(shù)進(jìn)行搬運(yùn)和分揀等實時控制的重要準(zhǔn)備［5-6］。

2 MOTOCOM32庫的面向?qū)ο蠓庋b

MOTOCOM32是日本安川電機(jī)公司為其MOTOMAN系列機(jī)器人提供的軟件開發(fā)工具包，包含了文件數(shù)據(jù)傳送功能，機(jī)器人控制功能和I/O讀寫信號功能等，用戶可根據(jù)實際要求情況進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)所需控制功能。MOTOCOM32本質(zhì)為動態(tài)鏈接庫(DLL），用VC++語言進(jìn)行開發(fā)時，首先應(yīng)在“Project Setting/Link”對話框中的“L對象/庫模塊”輸入框中添加 Motocom32.lib庫文件，如圖 5，然后將“motocom32.h”與“motocom32.dll”拷貝到工程目錄內(nèi)［7］。

MOTOMAN公司雖然給用戶提供了庫手冊，但說明比較簡單，尤其對函數(shù)的使用方法介紹不多，同時為了避免運(yùn)動控制函數(shù)的非阻塞性導(dǎo)致程序出錯的問題，本文對MOTOCOM32庫部分功能采用了面向?qū)ο蟮姆庋b，公開接口如表1所示。應(yīng)用面向?qū)ο蠓庋b后，更換不同類型的工業(yè)機(jī)器人，只需替換類文件，保持公共接口不變，就可以有較好的適應(yīng)性。

圖5 VC++中使用MOTOCOM32庫

表1 MOTOCOM32封裝后的公共接口

3 機(jī)器人實時控制平臺程序的編制

“單步運(yùn)行”功能模塊充分體現(xiàn)了控制平臺的實時性，是本文控制平臺開發(fā)的重點(diǎn)之一。現(xiàn)以S軸為例來說明各個軸的具體運(yùn)行操作方法，以下是此功能需要調(diào)用的主要函數(shù)［8-10］:

OnButtonS1(）函數(shù)和OnButtonS2(）函數(shù)均要調(diào)用OnOpenCom(）函數(shù)。在OnButtonS1(）函數(shù)運(yùn)行的同時，OnSetposS1(）函數(shù)同時運(yùn)行，顯示S軸正方向運(yùn)動的當(dāng)前脈沖數(shù)值和進(jìn)度;OnSetposS2(）顯示S軸反方向運(yùn)動的當(dāng)前脈沖數(shù)值和進(jìn)度。系統(tǒng)調(diào)用OnSelect(）函數(shù)表示選擇脈沖和角度的功能，同時OnSelect(）將參數(shù)傳到OnButtonS1(）或OnButtonS2(）供其調(diào)用。

由于篇幅關(guān)系，這里只給出S軸正向運(yùn)行的源程序。

4 MOTOMAN機(jī)器人實時控制平臺的測試

點(diǎn)擊主界面的“傳送文件”按鈕，彈出對話框，如圖6，選擇計算機(jī)上的MOTOMAN機(jī)器人JBI格式作業(yè)文件，然后點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，彈出傳送成功的提示。點(diǎn)擊主界面的“接收文件”按鈕，可以看到剛才傳送到XRC控制柜的機(jī)器人作業(yè)文件，選擇計算機(jī)接收文件的存儲路徑，然后點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，彈出接收成功的提示，根據(jù)剛才選擇的存儲路徑，便可找到剛剛接收的的機(jī)器人JBI格式文件。至此表明已成功建立了主控計算機(jī)、YASNAC-XRC控制柜和MOTOMAN-UP6機(jī)器人三者之間的通信，體現(xiàn)了計算機(jī)與機(jī)器人控制柜高速數(shù)據(jù)交換功能。

點(diǎn)擊主界面的“單步運(yùn)行”按鈕，彈出對話框如圖7，首先選擇脈沖或角度為運(yùn)行單位，然后輸入關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度值，脈沖值或角度值，然后就可選擇各個關(guān)節(jié)進(jìn)行操作。點(diǎn)擊“+”按鈕表示為對應(yīng)關(guān)節(jié)正向運(yùn)動，“-”按鈕表示反向運(yùn)動，操作的同時可觀察到UP6機(jī)器人也實現(xiàn)對應(yīng)控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，同時對話框圖7顯示對應(yīng)關(guān)節(jié)已運(yùn)行的脈沖數(shù)和進(jìn)度，顯示的比值表示當(dāng)前運(yùn)行脈沖數(shù)占運(yùn)行到極限位置脈沖數(shù)的比例。彩色進(jìn)度條的紅顏色為警戒位置，表明關(guān)節(jié)運(yùn)動接近極限位置，提醒操作人員停止操作。如果操作者輸入的值超過了對應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，本系統(tǒng)禁止執(zhí)行并將提示出錯。

圖6 “傳送文件”對話框的操作

圖7 “單步運(yùn)行”對話框的操作

在“單步運(yùn)行”功能中選擇各個關(guān)節(jié)進(jìn)行操作的同時，可點(diǎn)擊主界面的“視頻1”按鈕，打開視頻，如圖8，通過視頻可直接觀察UP6機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)。

圖8 視頻功能的模塊

5 結(jié)束語

本文研究的工業(yè)機(jī)器人實時控制平臺可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，改善了操作者的示教編程環(huán)境。具有圖像實時監(jiān)控、速度控制和高速數(shù)據(jù)交換等功能，實現(xiàn)了實時單步運(yùn)行控制，進(jìn)行了關(guān)節(jié)運(yùn)動轉(zhuǎn)角范圍設(shè)置，操作更具安全性。為基于視覺技術(shù)的搬運(yùn)，分揀技術(shù)等實時控制的研究打下了重要的基礎(chǔ)。

應(yīng)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對MOTOCOM32庫進(jìn)行封裝后，提高了MOTOCOM32庫的易用性，降低了編程難度，同時可以較好的適應(yīng)其他類型的工業(yè)機(jī)器人，具有較強(qiáng)的通用性。

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