基于以太網的工業機器人遠程信息通信處理研究

馬學成

（甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741025）

0 引 言

工業機器人需要達到和人類操作員相同的靈活性，使各種動態滿足遠程通信處理要求，才能真正實現完全自動化。但是，現有的工業機器人遠程通信處理能力有限，對于一些突發事件難以妥善處理。同時給定任務具有多樣性特點，在工作環境、工作流程中都需要不同的配置，因而對于操作員靈活調整處理能力提出了更高的要求。

1 遠程信息處理

1.1 硬件設置

選擇的研究為工業機器人，是丹麥Universal Robot公司生產的UR5型機器人。該工業機器人具有6自由度，5 kg的有效荷載。在UR5機器人中，控制系統對若干標準接口選項加以提供，包括遠程通信處理以太網TCP/IP插口。RDT利用UDP協議，能提供7 000 Hz的遠程通信處理數據流。所以，在機器人控制系統中，遠程通信處理不能直接集成。標準交換器作為使用的唯一附加硬件，主要是連接機器人控制系統和外部F/T傳感器的NetBox及遠程通信處理的遠程信息處理機[1]。利用該接口能夠對轉矩、速度、位置以及關節等進行遠程通信處理，并使用125 Hz頻率進行讀取。另外，可以通過插口將遠程通信處理命令直接寫入或在程序循環中包含遠程通信處理。遠程通信處理外部傳感器采用例/力矩傳感器，集成在工業機器人中。在遠程通信處理AIT Gamma F/T傳感器類型中，遠程通信處理F/T傳感器利用NetBox使用行數據傳輸，對遠程通信處理以太網接口加以提供。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 系統硬件架構（來源互聯網）

1.2 控制方案

主程序和各個線程并行執行，在機器人運動狀態中，同一時間內能夠對不同命令加以遠程通信處理。向控制系統發送信息，通過線程部分處理，在姿態信息當中，遠程通信處理主要包括指變量x、y、z，方向變量 θx、θy、θz，選擇變量 c1、c2等。不同姿勢信息變量的用法主要為：移動類型姿勢信息變量，包括聯合空間、線性、圓形混合；遠程通信處理參考坐標姿勢信息變量，包括基礎坐標、工具坐標、用戶坐標；位置姿勢信息變量，主要是TCP目標位置；方向姿勢信息變量，主要是TCP目標方向；遠程通信處理可選變量中，2個變量可以在混合半徑、加速度、速度設置中加以應用，對于設置為0的情況，根據默認參數執行。通信控制通道和遠程控制機如圖2所示。

通過用戶界面設備PolyScop，在遠程通信處理控制系統中，對帶有默認提供機器人語言的完全遠程控制遠程通信處理進行編寫。利用遠程通信處理，通過以太網接口，對不同于機器人默認命令格式的信息，通過遠程信息處理機進行接收和處理，進而對機器人需要執行的操作做出指示。在遠程通信處理程序中，主程序之前，定義IP地址和端口號，設置I/O接口，啟動遠程信息處理機通信[2]。線程1：為機器人TCP位置方向當前姿態，以0.5 s的頻率，向遠程機器人連續發送；線程2：為根據收到的遠程通信處理命令，對I/O狀態檢查更改；線程3：作為安全措施，通過不斷檢查信號來中斷主程序中的移動。

圖2 通信控制通道和遠程控制機（來源互聯網）

1.3 遠程通信處理

本研究采用了基于Windows 8操作系統的筆記本電腦作為遠程信息處理機，其處理器為英特爾iCore3，RAM為4 GB，頻率為1.7 GHz。通過Lab VIWE軟件，實現控制程序遠程通信處理。在軟件中，為用戶創建了可視化界面，能隨時遠程通信處理觀察機器人的狀態和F/T傳感器。同時，采用了不同的遠程通信處理方法分別創建手動控制系統，用戶能夠選擇向機器人控制系統發送的遠程通信處理消息和相應的格式[3]。

2 實施效果

采用機器人釘孔裝配實驗進行研究，通過實驗對遠程信息處理機發送特定請求的執行時間進行檢查。在這一過程中，遠程信息處理機請求控制系統內部測量TCP當前外力。以數據包離開遠程信息處理機，應答數據包達到遠程信息處理機的時間請求之差，作為執行時間計算。通過Wireshark網絡分析儀軟件，對具體數據進行捕獲。研究表明，第一次完全遠程信號處理方法，平均時間為13.8 ms。使用PolyScop編寫內部程序中，對1個第四線程做出了定義，從而對TCP力請求進行響應。在這一線程中，主要包括了5條命令，通過對1個變量的設置，對以太網中的消息進行接收和解釋。調用函數get_tcp_force()，向遠程信息處理機發送結果，最后一個循環，對即將到來的信息讀取。而在半遠程方法中，則是1.71 ms的平均執行時間。由此能夠看出，采用半遠程的方法，能夠縮短執行時間。應用這一方法，是在機器人控制系統、遠程機器人之間，實現了直接控制。

通過實驗研究，對2中不同方法，執行相同裝配應用的經典離線控制和處理時間做出對比。在釘孔裝配應用中，機器人需要完成5個不同姿勢。其中，第一個姿勢是機器人從開始到結束過程的姿勢。利用2個姿勢將掛鉤夾住，由于末端執行器需要對掛釘垂直接近，才能完成抓握動作。組裝階段，采用相同的步驟，利用2個姿勢完成。在離線編程過程當中，運行到完整組裝應用程序10次，達到了7.38 s的平均處理時間。在對栓釘抓緊、釋放的過程中，分別有1個0.5 s的等待時間，滿足機器人再次開始運動之前，打開和關閉夾持器的要求。在半遠程控制方法中，對相同步驟加以運用，機器人在上一個姿勢完成之后，才能執行下一個移動命令。所以，對傳入消息的比較，需要1個檢查循環。機器人對每一條信息的發出頻率都是125 Hz，包括機器人實際位置。所以，對下一個移動命令發送的觸發器，是對發送姿態、接收實際姿態的比較。利用該方法作業，達到了10.21 s的平均處理時間。在完全遠程控制方法中，相同等待步驟和過去方法一致。對下一個移動命令的觸發，是通過PolyScop寫入程序，對相應到達信號發出，代表機器人需要的姿態已完成。利用該方法作業，達到了12.45 s的平均處理時間。在不同方法之間，機器人具有相同的加速度、速度等。在以視覺傳感器、F/T傳感器為基礎的自動釘孔組配中，對完全遠程信號處理方法加以運用。根據不用中斷模型，采用直觀搜索算法，對孔接觸力做出檢測。在組裝任務中，主要包括7個步驟，將主要檢測孔為止、圖像處理等也包括在執行時間中，達到了27～32 s的作業時間。

3 結 論

在工業機器人的作業過程中，采用基于以太網接口的遠程機器人，實現遠程信息通信處理，完成作業引導和指揮。通過應用這一方法，可在現有具有有限傳感器接口的機器人控制系統中，將外部傳感器集成，進而達到引導算法更加智能的要求。通過這一方法，能在需要復雜工藝的應用中，對工業機器人加以應用，如裝配精密電子部件等。在全遠程信息和半遠程信息的不同工業機器人控制方法中，全遠程信息控制方法具有外部傳感器集成、保護運動、在線Trajcotries一代、實時數據交替以及遠程信息控制功能，插入式安裝時間為12.45 s；半遠程信息控制方法具有實時指導、外部傳感器集成、在線Trajcotries一代、實時數據交替以及遠程信息控制功能，插入式安裝時間為10.21 s；典型離線方法中有實時指導，插入式安裝時間為7.38 s。