呂鑫平，彭晉民,，戴福全，阮玉鎮(zhèn)，李海濱

(1. 福州大學(xué) 機械及自動化工程學(xué)院，福建 福州350108; 2. 福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

《中國制造2025》對我國制造業(yè)自動化、智能化、信息化需求提出了新的要求，不斷完善和開發(fā)機器人及其運動控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，是我國創(chuàng)新強國之路的關(guān)鍵點。目前，工業(yè)生產(chǎn)中，機器人在焊接、搬運、裝配等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，而信息化時代對開放式控制系統(tǒng)的要求也日益增加。

目前，對于開放式控制系統(tǒng)，主要針對的是由標準化硬件與具有開放式界面的操作系統(tǒng)所組成的體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具備可擴展性、互操作性、可移植性以及可增減性[1]。

RSI(robot sensor interface)是德國KUKA公司開發(fā)的用于實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序包，其實時性響應(yīng)在毫秒級[2]。本文提出一種基于RSI的工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)，將RSI系統(tǒng)用于機器人與外部PC進行數(shù)據(jù)交換，配合Windows操作系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理功能，在保證工業(yè)機器人實時性的前提下，實現(xiàn)功能的擴展性和增減性。

1 機器人與工控PC間的通訊

1.1 數(shù)據(jù)交互協(xié)議

如何實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部PC 間的數(shù)據(jù)交換是設(shè)計的關(guān)鍵點之一。引入庫卡機器人RSI應(yīng)用軟件包，通過定義信號流配置文件以及用于以太網(wǎng)連接的XML文件，實現(xiàn)基于UDP網(wǎng)絡(luò)通訊的機器人與外部PC 機間的數(shù)據(jù)交換。RSI對象Ethernet的實時請求性高(PC必須在所定義的節(jié)拍內(nèi)回答所到達的數(shù)據(jù)包，否則將出現(xiàn)超時錯誤)。毫秒級響應(yīng)速度在確保實時性控制要求的基礎(chǔ)上，給系統(tǒng)開放性開發(fā)提供最大限度的設(shè)計空間。

通過RSI對象Ethernet實現(xiàn)通過以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。對象輸入端上的信號發(fā)送給外部PC，而輸出端上提供由外部PC接收的數(shù)據(jù)。圖1所示的是通過Ethernet進行數(shù)據(jù)交換的工作原理。

首先應(yīng)用圖形編輯器RSI Visual定義和保存RSI上下文，規(guī)定了機器人的信號處理框架，生成以下文件：

<文件名>.rsi(RSI Visual的信號流配置)；

<文件名>.rsi.diagram(根據(jù)XML示意圖的RSI Visual信號流布局)；

<文件名>.rsi.xml(機器人控制系統(tǒng)上用于信號處理的XML文件)。

圖1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換工作原理

然后調(diào)用RSI Visual的RSIEthernet模塊設(shè)定機器人控制柜與外部PC間通訊的數(shù)據(jù)內(nèi)容及類型。該XML文件同信號流配置文件一起保存在機器人系統(tǒng)的指定目錄下，同時Ethernet對象中需指定該XML配置文件的名稱。圖2所示的是自定義的交互協(xié)議文件，元素說明如表1所示。

圖2 數(shù)據(jù)交互協(xié)議的XML文件

中配置與機器人系統(tǒng)通訊的外部PC的IP地址和端口號等信息；

中配置機器人控制器系統(tǒng)發(fā)送結(jié)構(gòu)，定義RSI上下文中到達Ethernet對象輸入端和發(fā)送給外部PC的數(shù)據(jù)及其類型。

表1 元素說明

中配置機器人控制系統(tǒng)接收結(jié)構(gòu)，定義外部PC在Ethernet對象輸出端上接收并在RSI上下文中繼續(xù)傳遞給機器人控制系統(tǒng)的信號。

1.2 通訊過程

在運動控制實現(xiàn)中，設(shè)定外部 PC控制6自由度機器人實現(xiàn)末端執(zhí)行器的笛卡兒坐標移動，應(yīng)用RSI對象POSCORR(笛卡兒修正接通與限定)，外部PC將笛卡兒修正數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人，機器人根據(jù)相對修正值純修正控制地移動。其信號流配置如圖3所示。

圖3 機器人信號流配置

信號處理信道激活后，Ethernet通過UDP/IP協(xié)議將機器人系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)送給外部PC，實現(xiàn)對機器人系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)測，包括笛卡兒位置、機器人軸A1-A6特定位置、附加軸E1-E6特定位置、機器人軸A1-A6電機電流、延遲到達的數(shù)據(jù)包數(shù)量、主進和預(yù)進中的技術(shù)參數(shù)(功能發(fā)生器1-6)。

外部PC將包含笛卡兒修正值的自定義數(shù)據(jù)組發(fā)送給機器人，實現(xiàn)運動控制。

2 開放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架

如圖4所示，所搭建的體系結(jié)構(gòu)按照所執(zhí)行功能的不同分成3個模塊：主控單元、執(zhí)行單元及檢測單元?？刂葡到y(tǒng)的主控單元實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理以及任務(wù)決策，將控制指令發(fā)送給執(zhí)行單元，以實現(xiàn)具體的控制任務(wù)：力反饋控制模塊將力覺傳感器采集的力及力矩工作信息進行綜合分析處理，機器人控制系統(tǒng)執(zhí)行運動控制及路徑規(guī)劃。檢測單元將所采集的工作信息反饋給主控單元，為任務(wù)決策提供信息參考，信息包括：各關(guān)節(jié)的位置、電機電流和力/力矩信息等。

圖4 開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制對象為一臺庫卡6自由度機器人，配備有KR C4控制柜。使用研華工控機作為其運動控制器。引入了RSI系統(tǒng)，可直接通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)機器人和工控機之間的交互。使用ATI 6維力傳感器采集力及力矩工作數(shù)據(jù)，并使用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給工控機，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于RSI的機器人控制系統(tǒng)，其軟件平臺的功能包括：

1) 機器人系統(tǒng)狀態(tài)(包括位姿坐標值、電機電流值、力及力矩值等)的實時監(jiān)控；

2) 與機器人控制器進行數(shù)據(jù)交換；

3) 直線插補算法控制機器人點位運動；

4) 正、逆運動學(xué)解算機器人目標軌跡。

點位控制分為單軸運行和多軸并聯(lián)控制，而其中多軸聯(lián)動控制涉及到直線插補算法。項目中的工業(yè)機器人采用伺服電機驅(qū)動，在連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中的急停將影響到定位精度。針對這種問題采用的解決方案為：使得機器人末端到達預(yù)定減速點時，開始勻減速運動到足夠小的速度，接著繼續(xù)運行直至到達目標點，速度曲線如圖6所示。

圖6 速度變化梯形圖

算法如下：

已知空間中兩點P0={x0,y0,z0}、P1={x1,y1,z1}，先計算出兩點間的直線距離：

再計算比例因子：

故得到各軸按步距修正移動的步距為：

Step[x,y,z]=K[x,y,z]×W

其中:K為比例因子 ；W為給定單位步距[3]。

循環(huán)周期N為：

將所計算得到的比例因子及目標點坐標值代入程序中，即可實現(xiàn)機器人的多軸聯(lián)動控制。

3 控制系統(tǒng)調(diào)試與試驗

基于以上開放式控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，在所搭建的力反饋實驗平臺上開展控制系統(tǒng)的調(diào)試與試驗，如圖7所示，為機器人控制界面圖。使用手持操作器在指定的機器人控制系統(tǒng)目錄(C:KRCROBOTERKRCR1Program)運行用于激活RSI的程序，信號處理信道激活后，即可通過發(fā)送自定義的數(shù)據(jù)組控制機器人運動了。

圖7 機器人控制平臺界面

工業(yè)機器人系統(tǒng)狀態(tài)信息采集與傳感器工作數(shù)據(jù)采集使用雙線程并行通訊，RSI系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換周期為4ms或12ms兩種模式。ATI傳感器采用EtherCATF/T類型，采樣滯后最高1ms。對于所設(shè)計的實時系統(tǒng)，測試其任務(wù)切換延時以及中斷響應(yīng)時間。任務(wù)切換延時為系統(tǒng)運行多個任務(wù)時，當前任務(wù)結(jié)束后，控制系統(tǒng)切換到另一個任務(wù)過程中所耗費的時間。中斷的響應(yīng)時間是指系統(tǒng)接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時間[4-5]。對以上2個主要參數(shù)進行實驗，每個參數(shù)1 500 次的測試，測試結(jié)果如表 2 所示。

表2 系統(tǒng)實時性測試實驗數(shù)據(jù) 單位：μs

由測試數(shù)據(jù)得出所設(shè)計控制系統(tǒng)的實時性參數(shù)的量級均為微秒級。通常，工業(yè)機器人的控制周期≤1ms，所以本系統(tǒng)完全能夠達到工業(yè)機器人的控制要求。

基于RSI的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)滿足開放性要求，系統(tǒng)的可擴展性與可移植性主要體現(xiàn)在：

1) 在保留整個控制系統(tǒng)的前提下，控制算法需要進行擴展和更新時，在程序中擴展新的算法即可實現(xiàn)。如圖8所示，系統(tǒng)控制臺采集機器人力及力矩信息之后，對數(shù)據(jù)進行解析，然后應(yīng)用到相關(guān)算法當中，而最終反饋為功能執(zhí)行。當功能需求增加，可對算法庫進行更新或修改。

2) 控制系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)，通過RSI系統(tǒng)實現(xiàn)機器人與工控機之間的數(shù)據(jù)交互的，可用于不同型號的庫卡工業(yè)機器人。在庫卡工業(yè)機器人中安裝RSI應(yīng)用軟件包，配置相關(guān)協(xié)議之后就可以成功進行交互，而對應(yīng)不同型號的工業(yè)機器人(如不同自由度)，依據(jù)功能要求，在不改變控制系統(tǒng)整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，只需對控制算法及操作界面做適當修改即可，極大地縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。

圖8 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與算法邏輯關(guān)系

4 結(jié)語

設(shè)計了一種基于RSI系統(tǒng)的開放式機器人控制系統(tǒng)，引入RSI系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部PC的實時數(shù)據(jù)交換，配合Windows操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能，在保證工業(yè)機器人實時性的前提下，實現(xiàn)了功能的擴展性和增減性。試驗表明，該系統(tǒng)能夠滿足實時性要求，響應(yīng)級別在毫秒級，開放式結(jié)構(gòu)滿足擴展性、可移植性要求。