基于以太網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程信息通信處理研究

馬學(xué)成

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025）

0 引 言

工業(yè)機(jī)器人需要達(dá)到和人類操作員相同的靈活性，使各種動態(tài)滿足遠(yuǎn)程通信處理要求，才能真正實現(xiàn)完全自動化。但是，現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程通信處理能力有限，對于一些突發(fā)事件難以妥善處理。同時給定任務(wù)具有多樣性特點，在工作環(huán)境、工作流程中都需要不同的配置，因而對于操作員靈活調(diào)整處理能力提出了更高的要求。

1 遠(yuǎn)程信息處理

1.1 硬件設(shè)置

選擇的研究為工業(yè)機(jī)器人，是丹麥Universal Robot公司生產(chǎn)的UR5型機(jī)器人。該工業(yè)機(jī)器人具有6自由度，5 kg的有效荷載。在UR5機(jī)器人中，控制系統(tǒng)對若干標(biāo)準(zhǔn)接口選項加以提供，包括遠(yuǎn)程通信處理以太網(wǎng)TCP/IP插口。RDT利用UDP協(xié)議，能提供7 000 Hz的遠(yuǎn)程通信處理數(shù)據(jù)流。所以，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程通信處理不能直接集成。標(biāo)準(zhǔn)交換器作為使用的唯一附加硬件，主要是連接機(jī)器人控制系統(tǒng)和外部F/T傳感器的NetBox及遠(yuǎn)程通信處理的遠(yuǎn)程信息處理機(jī)[1]。利用該接口能夠?qū)D(zhuǎn)矩、速度、位置以及關(guān)節(jié)等進(jìn)行遠(yuǎn)程通信處理，并使用125 Hz頻率進(jìn)行讀取。另外，可以通過插口將遠(yuǎn)程通信處理命令直接寫入或在程序循環(huán)中包含遠(yuǎn)程通信處理。遠(yuǎn)程通信處理外部傳感器采用例/力矩傳感器，集成在工業(yè)機(jī)器人中。在遠(yuǎn)程通信處理AIT Gamma F/T傳感器類型中，遠(yuǎn)程通信處理F/T傳感器利用NetBox使用行數(shù)據(jù)傳輸，對遠(yuǎn)程通信處理以太網(wǎng)接口加以提供。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)（來源互聯(lián)網(wǎng)）

1.2 控制方案

主程序和各個線程并行執(zhí)行，在機(jī)器人運動狀態(tài)中，同一時間內(nèi)能夠?qū)Σ煌罴右赃h(yuǎn)程通信處理。向控制系統(tǒng)發(fā)送信息，通過線程部分處理，在姿態(tài)信息當(dāng)中，遠(yuǎn)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(lián)合空間、線性、圓形混合；遠(yuǎn)程通信處理參考坐標(biāo)姿勢信息變量，包括基礎(chǔ)坐標(biāo)、工具坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)；位置姿勢信息變量，主要是TCP目標(biāo)位置；方向姿勢信息變量，主要是TCP目標(biāo)方向；遠(yuǎn)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(shè)置中加以應(yīng)用，對于設(shè)置為0的情況，根據(jù)默認(rèn)參數(shù)執(zhí)行。通信控制通道和遠(yuǎn)程控制機(jī)如圖2所示。

通過用戶界面設(shè)備PolyScop，在遠(yuǎn)程通信處理控制系統(tǒng)中，對帶有默認(rèn)提供機(jī)器人語言的完全遠(yuǎn)程控制遠(yuǎn)程通信處理進(jìn)行編寫。利用遠(yuǎn)程通信處理，通過以太網(wǎng)接口，對不同于機(jī)器人默認(rèn)命令格式的信息，通過遠(yuǎn)程信息處理機(jī)進(jìn)行接收和處理，進(jìn)而對機(jī)器人需要執(zhí)行的操作做出指示。在遠(yuǎn)程通信處理程序中，主程序之前，定義IP地址和端口號，設(shè)置I/O接口，啟動遠(yuǎn)程信息處理機(jī)通信[2]。線程1：為機(jī)器人TCP位置方向當(dāng)前姿態(tài)，以0.5 s的頻率，向遠(yuǎn)程機(jī)器人連續(xù)發(fā)送；線程2：為根據(jù)收到的遠(yuǎn)程通信處理命令，對I/O狀態(tài)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(yuǎn)程控制機(jī)（來源互聯(lián)網(wǎng)）

1.3 遠(yuǎn)程通信處理

本研究采用了基于Windows 8操作系統(tǒng)的筆記本電腦作為遠(yuǎn)程信息處理機(jī)，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(xiàn)控制程序遠(yuǎn)程通信處理。在軟件中，為用戶創(chuàng)建了可視化界面，能隨時遠(yuǎn)程通信處理觀察機(jī)器人的狀態(tài)和F/T傳感器。同時，采用了不同的遠(yuǎn)程通信處理方法分別創(chuàng)建手動控制系統(tǒng)，用戶能夠選擇向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送的遠(yuǎn)程通信處理消息和相應(yīng)的格式[3]。

2 實施效果

采用機(jī)器人釘孔裝配實驗進(jìn)行研究，通過實驗對遠(yuǎn)程信息處理機(jī)發(fā)送特定請求的執(zhí)行時間進(jìn)行檢查。在這一過程中，遠(yuǎn)程信息處理機(jī)請求控制系統(tǒng)內(nèi)部測量TCP當(dāng)前外力。以數(shù)據(jù)包離開遠(yuǎn)程信息處理機(jī)，應(yīng)答數(shù)據(jù)包達(dá)到遠(yuǎn)程信息處理機(jī)的時間請求之差，作為執(zhí)行時間計算。通過Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件，對具體數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲。研究表明，第一次完全遠(yuǎn)程信號處理方法，平均時間為13.8 ms。使用PolyScop編寫內(nèi)部程序中，對1個第四線程做出了定義，從而對TCP力請求進(jìn)行響應(yīng)。在這一線程中，主要包括了5條命令，通過對1個變量的設(shè)置，對以太網(wǎng)中的消息進(jìn)行接收和解釋。調(diào)用函數(shù)get_tcp_force()，向遠(yuǎn)程信息處理機(jī)發(fā)送結(jié)果，最后一個循環(huán)，對即將到來的信息讀取。而在半遠(yuǎn)程方法中，則是1.71 ms的平均執(zhí)行時間。由此能夠看出，采用半遠(yuǎn)程的方法，能夠縮短執(zhí)行時間。應(yīng)用這一方法，是在機(jī)器人控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程機(jī)器人之間，實現(xiàn)了直接控制。

通過實驗研究，對2中不同方法，執(zhí)行相同裝配應(yīng)用的經(jīng)典離線控制和處理時間做出對比。在釘孔裝配應(yīng)用中，機(jī)器人需要完成5個不同姿勢。其中，第一個姿勢是機(jī)器人從開始到結(jié)束過程的姿勢。利用2個姿勢將掛鉤夾住，由于末端執(zhí)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(dāng)中，運行到完整組裝應(yīng)用程序10次，達(dá)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(jī)器人再次開始運動之前，打開和關(guān)閉夾持器的要求。在半遠(yuǎn)程控制方法中，對相同步驟加以運用，機(jī)器人在上一個姿勢完成之后，才能執(zhí)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(huán)。機(jī)器人對每一條信息的發(fā)出頻率都是125 Hz，包括機(jī)器人實際位置。所以，對下一個移動命令發(fā)送的觸發(fā)器，是對發(fā)送姿態(tài)、接收實際姿態(tài)的比較。利用該方法作業(yè)，達(dá)到了10.21 s的平均處理時間。在完全遠(yuǎn)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(fā)，是通過PolyScop寫入程序，對相應(yīng)到達(dá)信號發(fā)出，代表機(jī)器人需要的姿態(tài)已完成。利用該方法作業(yè)，達(dá)到了12.45 s的平均處理時間。在不同方法之間，機(jī)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(chǔ)的自動釘孔組配中，對完全遠(yuǎn)程信號處理方法加以運用。根據(jù)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(wù)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(zhí)行時間中，達(dá)到了27～32 s的作業(yè)時間。

3 結(jié) 論

在工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)過程中，采用基于以太網(wǎng)接口的遠(yuǎn)程機(jī)器人，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息通信處理，完成作業(yè)引導(dǎo)和指揮。通過應(yīng)用這一方法，可在現(xiàn)有具有有限傳感器接口的機(jī)器人控制系統(tǒng)中，將外部傳感器集成，進(jìn)而達(dá)到引導(dǎo)算法更加智能的要求。通過這一方法，能在需要復(fù)雜工藝的應(yīng)用中，對工業(yè)機(jī)器人加以應(yīng)用，如裝配精密電子部件等。在全遠(yuǎn)程信息和半遠(yuǎn)程信息的不同工業(yè)機(jī)器人控制方法中，全遠(yuǎn)程信息控制方法具有外部傳感器集成、保護(hù)運動、在線Trajcotries一代、實時數(shù)據(jù)交替以及遠(yuǎn)程信息控制功能，插入式安裝時間為12.45 s；半遠(yuǎn)程信息控制方法具有實時指導(dǎo)、外部傳感器集成、在線Trajcotries一代、實時數(shù)據(jù)交替以及遠(yuǎn)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(dǎo)，插入式安裝時間為7.38 s。