模塊化可重構(gòu)坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計

王 濤，李 陽，王 寧，唐 杰

1 引言

為了滿足工業(yè)機(jī)器人多品種、小批量、柔性化的生產(chǎn)需求，人們將模塊化和可重構(gòu)思想引入工業(yè)機(jī)器人設(shè)計中[1]。與傳統(tǒng)方法相比，模塊化設(shè)計能很好地解決機(jī)器人品種多、批量小與設(shè)計制造周期長、成本高之間的矛盾[2]。文獻(xiàn)[3]在對機(jī)翼變形性能改進(jìn)應(yīng)用的案例研究中發(fā)現(xiàn)，模塊化設(shè)計還可以提高機(jī)器人的可靠性并減少系統(tǒng)誤差。而可重構(gòu)則可以使機(jī)器人的設(shè)計可以在統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、通用的軟硬件平臺上實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人制造商通過重構(gòu)結(jié)構(gòu)模塊，形成系列化的機(jī)器人產(chǎn)品[4]。文獻(xiàn)[5]提出具有六個自由度，并且可從二自由度到六自由度轉(zhuǎn)換的并聯(lián)重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模塊，解決了重構(gòu)機(jī)器人主要問題之一的幾何結(jié)構(gòu)確定問題。而文獻(xiàn)[6]則提出了集機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動規(guī)劃于一體的一類三維模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)為自重構(gòu)運(yùn)動作為連接點(diǎn)的活動鏈接。連結(jié)有三個自由度機(jī)械手，立體結(jié)構(gòu)可以被定位和使用該鏈接定向。最終使機(jī)器人可以改變結(jié)構(gòu)并在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。人們不斷的設(shè)計探索使得機(jī)器人設(shè)計可以根據(jù)制造產(chǎn)品的變化，對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的最大柔性，同時降低生產(chǎn)線成本[7-8]。

工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在在汽車制造、機(jī)械加工、焊接、上下料、磨削拋光、搬運(yùn)碼垛、裝配、噴涂、航空航天等作業(yè)中[9-10]。目前，工業(yè)機(jī)器人主要分兩大類：（1）關(guān)節(jié)機(jī)器人，俗稱工業(yè)機(jī)械手；（2）坐標(biāo)機(jī)器人。關(guān)節(jié)機(jī)器人的核心技術(shù)主要為一些大的機(jī)器人制造商掌控，如ABB，KUKA，F(xiàn)ANUC等，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為成熟，控制系統(tǒng)開放性較差，機(jī)器人成本高。與關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)靈活，控制系統(tǒng)形式多樣，技術(shù)門檻不高，成本低廉，設(shè)計模塊化，可重構(gòu)性較好，在工業(yè)生產(chǎn)上使用更加廣泛，尤其對于中小制造類企業(yè)，成為其制造升級的首選。論文主要針對直角坐標(biāo)機(jī)器人及其系統(tǒng)，研究其模塊化的軟硬件平臺結(jié)構(gòu)，并在模塊化的基礎(chǔ)上，研究其可重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑，最后給出了論文所研究機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用實(shí)例。

2 硬件平臺

模塊化的硬件平臺可滿足多種樣式的坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計，如圖1所示。多臺機(jī)器人（機(jī)器人1，2，…，n）通過互聯(lián)網(wǎng)彼此相連，并與工廠計算機(jī)相連，形成一個機(jī)器人系統(tǒng)。每個機(jī)器人由四大模塊組成：集成控制器模塊，伺服驅(qū)動模塊，機(jī)器人外圍電氣模塊和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。集成控制器模塊包括了三個子模塊，運(yùn)動控制模塊（MC模塊），人機(jī)交互模塊（HMI模塊）和PLC模塊。MC模塊是機(jī)械人運(yùn)動控制的核心模塊，可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人坐標(biāo)軸的單獨(dú)控制和聯(lián)動控制，并將控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動模塊，PLC模塊主要完成與機(jī)器人邏輯運(yùn)算和邏輯控制相關(guān)的工作，處理輸入模塊發(fā)送來的邏輯信號，并將輸出邏輯發(fā)送給輸出模塊；HMI模塊主要用于人與機(jī)器人的交互，可完成界面控制操作，實(shí)時狀態(tài)顯示，設(shè)置參數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，程序管理，運(yùn)行狀況信息處理和監(jiān)控等功能。伺服驅(qū)動模塊主要由多臺套伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成，驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人的運(yùn)動，該模塊可根據(jù)實(shí)際的控制軸數(shù)進(jìn)行增裁。機(jī)器人外圍電氣模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外圍電氣的控制，通過輸入模塊獲得機(jī)器人外圍電氣的工作狀態(tài)，在PLC模塊進(jìn)行邏輯處理后，一部分信號送給MC模塊，由MC模塊進(jìn)行處理；另一部分信號由輸出模塊輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外圍電氣的工作動作控制。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊可根據(jù)不同的應(yīng)用形式，設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)形式，典型的坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。可直接利用典型結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計，也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，對典型結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)變異，獲得一種可用的結(jié)構(gòu)。

圖1 模塊化硬件平臺Fig.1 The Modular Hardware Platform

圖2 典型坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.2 The Representative Structure of Coordinate Robot

3 軟件平臺

機(jī)器人模塊化軟件平臺組成，如圖3所示。各個模塊的功能如下：（1）初始化與底層驅(qū)動模塊：系統(tǒng)開機(jī)后，完成對各個硬件模塊和軟件模塊的初始化，檢測機(jī)器人系統(tǒng)初始狀態(tài)是否正常，并提供整個硬件系統(tǒng)的驅(qū)動軟件。（2）HMI模塊（軟）：操作人員主要通過HMI模塊與機(jī)器人進(jìn)行交互，系統(tǒng)參數(shù)的輸入，報警信息的顯示，坐標(biāo)信息的顯示，手動操作信息的輸入等都通過HMI模塊完成。（3）PLC編程模塊（軟）：通過梯形圖設(shè)計，完成機(jī)器人的邏輯控制。（4）軸控制模塊：負(fù)責(zé)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動軸配置和控制。（5）工作任務(wù)規(guī)劃模塊：通過該模塊，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人負(fù)責(zé)的具體工作任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。（6）參數(shù)配置模塊：機(jī)器人不同的結(jié)構(gòu)形式和不同的應(yīng)用場合，要求對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行特定的配置，系統(tǒng)參數(shù)模塊主要完成此項(xiàng)功能。（7）系統(tǒng)報警模塊：處理系統(tǒng)的各種報警信息，對各種報警信息進(jìn)行分級處理，機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)不同報警級別做出相應(yīng)處理。（8）信息監(jiān)控模塊：用于處理機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)監(jiān)控。

圖3 軟件平臺模塊組成Fig.3 The Modular Softwae Platform

4 可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)

通過重構(gòu)現(xiàn)有機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的變化，也可以基于現(xiàn)有機(jī)器人，重構(gòu)出新形式的機(jī)器人。對于完成不同工作任務(wù)的坐標(biāo)機(jī)器人來說，他們之間的區(qū)別可歸結(jié)為四個主要方面：控制軸數(shù)的不同，機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式的不同，輸入點(diǎn)的不同和輸出點(diǎn)的不同。對于一種機(jī)器人，對這四個主要方面中的一個或幾個進(jìn)行重構(gòu)，便可獲得具有新功能的機(jī)器人。而這四個方面的改變主要通過硬件平臺和軟件平臺中的具體模塊重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。如表1、表2所示，第一行為機(jī)器人功能重構(gòu)的四個方面：控制軸數(shù)重構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)；“”表示該列所在功能的重構(gòu)需要該行所在模塊做出相應(yīng)的重構(gòu)，“〇”表示該列所在功能的重構(gòu)可能需要該行所在模塊做出相應(yīng)的重構(gòu)，“×”表示該列所在功能的重構(gòu)不需要該行所在模塊做出相應(yīng)重構(gòu)。

以控制軸數(shù)重構(gòu)為例。一個機(jī)器人的控制軸數(shù)發(fā)生了重構(gòu)，在硬件平臺上，硬件MC模塊有可能發(fā)生重構(gòu)，如從3軸控制，增加到4軸控制，如果現(xiàn)有MC模塊是3軸模塊，則必須更換4軸模塊，如果現(xiàn)有模塊具有4軸功能，則可以不必更換；同理，從3軸控制減為2軸控制，可以更換MC模塊，也可以不必更換。PLC模塊（硬）有可能不滿足控制軸數(shù)功能需要而需要重構(gòu)，也有可能滿足而不需要重構(gòu)。伺服驅(qū)動模塊，要根據(jù)軸數(shù)的變化進(jìn)行相應(yīng)的增減重構(gòu)。

同樣，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，要根據(jù)軸數(shù)的變化進(jìn)行相應(yīng)的增減重構(gòu)。輸入模塊和輸出模塊的點(diǎn)數(shù)如果不能滿足軸數(shù)變化后的功能要求，則需要擴(kuò)充；如果滿足，則不需要擴(kuò)充。

表1 可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)-硬件平臺Tab.1 Robot Reconfiguration-Software Platform

表2 可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)-軟件平臺Tab.2 Robot Reconfiguration-Hardware Platform

在軟件平臺上，HMI模塊（軟）重構(gòu)表現(xiàn)為增加或減去發(fā)生變化的控制軸信息；PLC模塊（軟）需要對與變化的控制軸相關(guān)聯(lián)梯形圖進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計；由于控制軸數(shù)發(fā)生了變化，需要對軸控制模塊進(jìn)行重新配置重構(gòu)；在工作任務(wù)規(guī)劃模塊上，對新的工作任務(wù)進(jìn)行重新設(shè)計規(guī)劃重構(gòu)；同理，參數(shù)配置模塊，系統(tǒng)報警模塊和信息監(jiān)控模塊也需要根據(jù)軸的變化做出相應(yīng)的重構(gòu)變化調(diào)整。

同理，對于機(jī)器人其它三個方面的功能重構(gòu)：機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)，也對應(yīng)著機(jī)器人硬件平臺和軟件平臺相關(guān)模塊的重構(gòu)。從表1、表2中不難發(fā)現(xiàn)：與控制軸數(shù)重構(gòu)相關(guān)聯(lián)的軟硬件模塊數(shù)量最多，機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)次之，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)最少，據(jù)此，可以將機(jī)器人的重構(gòu)分三個層次，如圖4所示。控制軸數(shù)重構(gòu)屬于核心層，機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)屬于次核心層，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)位于最外層。從內(nèi)向外，里層的重構(gòu)，必然引起外層的重構(gòu)。例如，核心層重構(gòu)（控制軸數(shù)重構(gòu)），必然引起機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的變化，即次外層重構(gòu)（機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)），也會引起輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的變化，即最外層重構(gòu)。而輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)重構(gòu)，一般是改變機(jī)器人及其附件上的一個或幾個邏輯控制，不會引起機(jī)器人控制軸數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的改變。很明顯，對現(xiàn)有機(jī)器人進(jìn)行核心層和次核心層重構(gòu)一般會得到一個新的機(jī)器人，而進(jìn)行最外層重構(gòu)，只會改變現(xiàn)有機(jī)器人的邏輯控制功能。

圖4 機(jī)器人重構(gòu)的三個層次Fig.4 Three Levels of Robot Reconfiguration

5 應(yīng)用實(shí)例

前述方法在實(shí)際坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計中進(jìn)行了應(yīng)用，設(shè)計的一臺坐標(biāo)機(jī)器人樣機(jī)，如圖5所示。集成控制器選用新代HC8AK觸控屏控制器，伺服驅(qū)動模塊選用3套Ruking750W伺服驅(qū)動器+電機(jī)系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)選用鋁型材框架式結(jié)構(gòu)。該樣機(jī)能夠完成吸取物料并放至指定黃色箱子中等功能。

圖5 坐標(biāo)機(jī)器人樣機(jī)Fig.5 The Coordinate Robot Prototype

在前述機(jī)器人單機(jī)基礎(chǔ)上，利用這里的重構(gòu)方法，設(shè)計并制造了電梯門板生產(chǎn)線系統(tǒng)，應(yīng)用在某電梯生產(chǎn)企業(yè)。系統(tǒng)方案圖，如圖6所示。實(shí)物圖，如圖7所示。

圖6 坐標(biāo)機(jī)器人電梯門板生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.6 Design for the Production Line of Elevator Door by Coordinate Robot

圖7 坐標(biāo)機(jī)器人電梯門板生產(chǎn)線系統(tǒng)Fig.7 The Production Lines System of Elevator Door by Coordinate Robot

在該系統(tǒng)的設(shè)計過程中，還將工廠原有的串聯(lián)機(jī)械手整合到生產(chǎn)線中來，既提升了工廠的生產(chǎn)制造技術(shù)，又利用了工廠原有設(shè)備，降低了新生產(chǎn)線的成本。該設(shè)計方案使工廠生產(chǎn)電梯門板實(shí)現(xiàn)了無人化、全自動化，并且可根據(jù)生產(chǎn)需要將產(chǎn)量控制在（45～50）s一個節(jié)拍。最大日產(chǎn)量可達(dá)1500只以上。該方案是模塊化可重構(gòu)坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計思想的全面體現(xiàn)，含有控制軸數(shù)重構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)全部思想。人們還可以根據(jù)需要應(yīng)用這里的設(shè)計思想對其他工業(yè)產(chǎn)品的自動化、無人化生產(chǎn)加以應(yīng)用。

6 結(jié)論

（1）為了滿足當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)需求，論文主要針對直角坐標(biāo)機(jī)器人及其系統(tǒng)，設(shè)計了模塊化的軟、硬件平臺結(jié)構(gòu)，并對軟、硬件各個模塊的關(guān)系和功能進(jìn)行了具體詳細(xì)的闡述。（2）在模塊化的基礎(chǔ)上，分別給出了其可重構(gòu)性在軟、硬件平臺上的實(shí)現(xiàn)途徑。提出了機(jī)器人重構(gòu)的四個方面：控制軸數(shù)重構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)形式重構(gòu)，輸入點(diǎn)重構(gòu)和輸出點(diǎn)重構(gòu)。（3）將機(jī)器人重構(gòu)歸結(jié)為核心層重構(gòu)，次核心層重構(gòu)和最外層重構(gòu)。指出機(jī)器人經(jīng)過核心層和次核心層重構(gòu)，能得到一個新的機(jī)器人，而最外層重構(gòu)，只會改變原有機(jī)器人的邏輯控制功能。（4）給出了這里所研究機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用實(shí)例。