工業(yè)機器人實訓平臺模塊化可重構(gòu)硬件系統(tǒng)研究

陳暉，于殿勇，梁鳳順，鄭陽

(1. 福建(泉州)哈工大工程技術(shù)研究院，福建 泉州 362008；2. 哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150006)

0 引言

目前，市場上常見的教育機器人受其構(gòu)形限制，僅能完成單種教學任務，無法滿足學生對機器人系統(tǒng)的組成、編程控制、功能實現(xiàn)、傳感器技術(shù)等較深層次了解與實現(xiàn)的需求[1]。為了實現(xiàn)工業(yè)機器人實訓平臺多教學任務的高頻切換，需要實訓平臺的物理空間跟隨任務空間進行快速重構(gòu)響應。工業(yè)機器人實訓平臺模塊化可重構(gòu)的研究需要從機械結(jié)構(gòu)層、電氣硬件層、嵌入式控制層、上位控制層等多維度展開。

首先，利用模糊聚類的模塊劃分方法進行模塊劃分及評價，得到最佳模塊劃分粒度和模塊劃分方案。1965年，ZADEH L A教授首次提出了“集合”的概念，經(jīng)過50多年的發(fā)展，模糊聚類理論逐漸在各領(lǐng)域得到廣泛應用，并涌現(xiàn)出許多以模糊聚類理論為數(shù)學基礎(chǔ)的聚類分析算法，例如遺傳算法(GA)、神經(jīng)網(wǎng)絡算法(SOM)、模糊C均值聚類算法(FCM)等[2]。國內(nèi)針對模塊劃分方法也進行了一系列的研究，賈松敏等于2016年首次將模塊劃分技術(shù)應用在機器人構(gòu)造領(lǐng)域[3]。

其次，從機械結(jié)構(gòu)層、電氣硬件層、嵌入式控制層展開模塊化、可重構(gòu)設計，實現(xiàn)基礎(chǔ)底層的快速重構(gòu)。PIRANFA S提出，模塊化設計是一種集產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)為集合的結(jié)果，并在特定的任務需求條件下，完成對于系統(tǒng)的參數(shù)化設計[4]。模塊化、可重構(gòu)設計要求各單模塊單元都應該有其獨有的功能，并且每個模塊之間均需保持一定的獨立性，只有這樣才能促使模塊更加專業(yè)化。同時，各單模塊之間的機械接口和電氣接口不僅要進行可靠連接，還要實現(xiàn)可快速拆換，保持其簡單性和操作的便捷性[5]。

底層硬件系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)設計為上位機可重構(gòu)軟件系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)工業(yè)機器人實訓平臺的快速重構(gòu)功能提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實訓平臺模塊劃分及評價

模塊化設計的主要目的是盡可能地用最少的模塊種類，完成最多的任務需求。合理的模塊劃分方案是模塊化設計的基礎(chǔ)，模塊相對獨立性是模塊劃分的基本要求，需要將完成某一特定任務的實訓平臺劃分為不可再分的基本模塊，這是一個粒度劃分和模糊聚類的過程。傳統(tǒng)意義的模塊劃分主要從功能相關(guān)性、裝配相關(guān)性、空間相關(guān)性、信息相關(guān)性四個方面進行劃分[6]：

功能相關(guān)性：兩個或者多個模塊的功能屬于同一個模塊的子功能，說明模塊之間存在功能相關(guān)性；

裝配相關(guān)性：兩個或者多個模塊所對應的結(jié)構(gòu)之間存在對應的裝配關(guān)系，說明模塊之間具有裝配相關(guān)性；

空間相關(guān)性：兩個或者多個模塊對應的執(zhí)行結(jié)構(gòu)具有重疊的工作空間或者部分重疊的占據(jù)空間，說明具有相同的空間相關(guān)性；

信息相關(guān)性：兩個或者多個模塊之間有一定的信息流交換或者信息流傳輸，包括能量、信號、力等信息流，說明兩個模塊之間存在信息相關(guān)性。

通過分析并定義兩兩模塊之間的功能相關(guān)性、裝配相關(guān)性、空間相關(guān)性、信息相關(guān)性的依賴程度值，并構(gòu)造相關(guān)矩陣?？梢岳肦ij表示模塊之間的相關(guān)度，其計算公式如下：

表1 模塊相關(guān)性取值表

依據(jù)模塊相關(guān)性取值結(jié)果，構(gòu)建模塊相關(guān)性關(guān)系矩陣R=(rij)n×n，對關(guān)系矩陣進行特征值計算，得出關(guān)系矩陣的特征向量并對其進行歸一化處理。

在構(gòu)造關(guān)系矩陣進行判斷時，由于構(gòu)造過程中帶有的主觀性和影響因素的復雜性，所以，需要對模塊劃分結(jié)果進行一致性檢驗，從而得出更具有客觀性的結(jié)果。故繼續(xù)計算關(guān)系矩陣的最大特征值，判斷關(guān)系矩陣的收斂半徑，通過定義收斂半徑的有效值區(qū)間來評價關(guān)系矩陣的可信度。

通過以上模糊聚類的模塊劃分和評價方法，對工業(yè)機器人實訓平臺進行模塊劃分，得到最佳模塊劃分方案如表2所示。

表2 實訓平臺模塊劃分表

2 實訓平臺機械模塊化

機械模塊作為工業(yè)機器人實訓平臺的最基本組成部分，主要由工業(yè)機器人子模塊、直線模組子模塊、旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊、夾具庫子模塊、其他輔助子模塊等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工業(yè)機器人子模塊完成工件、工裝以及夾具的移動，并在旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊上完成工件的裝配作業(yè)；直線模組子模塊輔助完成工業(yè)機器人的平移動作，采用伺服控制和驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)在直線模組行程范圍內(nèi)的任意位置?？浚瑥亩行г龃蠊I(yè)機器人的作業(yè)空間；旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊包含多個工裝位，通過旋轉(zhuǎn)平臺匹配任務需求的工裝位置，且可通過兩個旋轉(zhuǎn)工裝子模塊中的工裝位組合形成任務需求的新工裝位置；夾具庫子模塊涵蓋了所有任務需求的夾具，工業(yè)機器人可從夾具庫中選取任務需求的夾具，通過工業(yè)機器人末端的氣動控制閥實現(xiàn)夾具的快速更換。機械模塊采用基于構(gòu)件的功能特征、構(gòu)形特征和接口特征實現(xiàn)子模塊劃分，再利用“搭積木”的思想完成各子模塊的連接[7]。

圖1 工業(yè)機器人實訓平臺

機械模塊化設計的思路體現(xiàn)在各子模塊的可拓展性、可重構(gòu)性設計中，例如：工業(yè)機器人子模塊采用雙工業(yè)機器人協(xié)作的方式，其中一臺機器人底座固定，另一臺機器人底座固定在直線模組上，可跟隨直線模組子模塊進行平移動作，從而實現(xiàn)機器人子模塊的作業(yè)空間可依據(jù)實際的任務需求而拓展及重構(gòu)。旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊包含兩個獨立控制的旋轉(zhuǎn)工裝臺，每個旋轉(zhuǎn)工裝臺上擁有多個工裝位，每個工裝位不僅可以獨立使用，也可以與其他工裝位進行組合使用，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊的工裝位組合可依據(jù)實際任務需求而拓展及重構(gòu)，旋轉(zhuǎn)工裝臺子模塊擴展如圖2所示。夾具庫子模塊包含所有任務所需的夾具，工業(yè)機器人末端與夾具的之間采用氣動閥完成快速取放動作。工業(yè)機器人根據(jù)不同的任務需求從夾具庫子模塊中選取所需要的夾具進行作業(yè)，通過不同夾具的組合重構(gòu)，可拓展更多的任務需求。同時，夾具定位銷全部通用化設計，夾具庫采用模塊化拼裝的裝配，具備更好的拆裝性和可拓展性，夾具庫子模塊擴展如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)臺模塊

圖3 夾具庫模塊

3 實訓平臺硬件模塊化

硬件模塊實現(xiàn)實訓平臺的通電和通信，采用模塊化設計的思路，以電控柜為核心模塊將所有模塊通過電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起。

電源系統(tǒng)的設計遵循強弱電分離、驅(qū)動電源與控制電源分離的原則，對設備各模塊進行電源分配，并對電源系統(tǒng)實施漏電保護、過壓保護、過流保護以及過溫保護等保護措施。電源系統(tǒng)以AC220 V電源作為輸入，經(jīng)過斷路器和穩(wěn)壓模塊后直接提供工業(yè)機器人驅(qū)動、旋轉(zhuǎn)平臺電機驅(qū)動、直線模組電機驅(qū)動、輸送線變頻器驅(qū)動的供電需求。電控柜中的照明燈、電源燈以及散熱風扇也由AC220 V電源直接供電。為了滿足控制相關(guān)電路對低壓直流電源的需求，電源系統(tǒng)還配備了AC220 V轉(zhuǎn)DC24 V的隔離電源模塊，為MCU、交換機、繼電器、指示燈、限位開關(guān)等低壓用電器提供電源。電源系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 電源系統(tǒng)框架

各模塊間的網(wǎng)絡通信以有線網(wǎng)絡接入多接口的交換機進行網(wǎng)絡規(guī)劃。工業(yè)機器人之間的網(wǎng)絡通信通過最通用的以太網(wǎng)形式完成。以太網(wǎng)在機器人設備之間實現(xiàn)多通道傳輸，傳輸速度可達到百兆級別，為機器人的快速響應奠定了基礎(chǔ)。MCU與伺服電機、變頻器之間的網(wǎng)絡通信通過RS485形式完成，并預留RS485擴展接口。RS485通信可實現(xiàn)相對封閉區(qū)域內(nèi)數(shù)十臺設備的聯(lián)網(wǎng)集中控制，傳輸速度可達到十兆級別，且抗噪聲干擾能力強，在非標自動化設備的電氣通信系統(tǒng)中應用廣泛。網(wǎng)絡拓撲如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡拓撲圖

4 實訓平臺嵌入式模塊化

基于單片機系統(tǒng)設計的實訓平臺嵌入式控制系統(tǒng)框如圖6所示，處理器為MCU單片機處理器(STM32)。MCU負責接收上位機的任務指令，并向上位機反饋底層狀態(tài)和故障信息，其在上位機與執(zhí)行單元之間起到連接橋梁作用[8]。

圖6 控制系統(tǒng)框架圖

MCU連接上位機與執(zhí)行單元的模式分為兩種。一種是伺服控制模式，上位機將任務指令發(fā)送至MCU中，MCU處理后將運行速度、位置增量等信息通過RS485、CAN、CANopen等通信方式發(fā)送至伺服驅(qū)動器，從而控制旋轉(zhuǎn)工裝臺或直線模組電機作動。同時，MCU定時查詢驅(qū)動器的狀態(tài)和故障信息，并將信息反饋至上位機。MCU通過IO控制實現(xiàn)對氣動閥門、急停開關(guān)、限位開關(guān)等傳感設備的監(jiān)控，并將狀態(tài)信息反饋至上位機。另一種是DI/DO控制模式，上位機將任務指令發(fā)送至MCU中，MCU處理后將氣動閥門開關(guān)指令、指示燈開關(guān)指令通過DO控制模式下發(fā)。MCU采用DI采集模式獲取限位開關(guān)、面板控制開關(guān)等傳感信息，并進行5 ms軟件濾波，保證DI不受干擾，處理完成后反饋至上位機。上位機根據(jù)工業(yè)機器人和嵌入式底層控制器的狀態(tài)，逐步運行工件裝配的工藝流程步驟，每步都需要滿足相應的條件才可執(zhí)行下一個流程步驟。

STM32單片機具備高能效存儲擴展接口以及各種通信接口[9]：板載光耦隔離輸入，最大可支持56路輸入信號；板載繼電器輸出，最大可支持35路輸出信號； 板載4路帶隔離RS485通信接口、2路帶2 500 V磁隔離CAN通信接口、1路RS232通信串口接口；板載2路24 V電壓輸出、支持8～28 V寬電壓輸入等，并以百兆以太網(wǎng)通信。在設計過程中將IO接口和通信接口進行模塊化分，并預留擴展接口，在底層嵌入式層面實現(xiàn)模塊化可重構(gòu)設計。

5 運行測試

基于底層硬件系統(tǒng)搭建完成的實訓平臺開展試運行測試工作，主要測試內(nèi)容分4個步驟：首先，完成旋轉(zhuǎn)工裝臺、直線模組、工業(yè)機器人、傳感器等單模塊通電試運行，不發(fā)生機械干涉，信號反饋正常；其次，完成電控系統(tǒng)整體通電和通信試運行，各模塊與電源之間通電正常，各模塊與MCU之間通信和控制信號正常；然后，通過串口通信逐步下發(fā)任務指令，使各模塊順利協(xié)作完成簡單的工件裝配作業(yè)，過程中機械定位準確，通信正常，執(zhí)行反饋正常；最后，根據(jù)理論分析的最佳模塊劃分結(jié)果，進行模塊重構(gòu)新的執(zhí)行任務，順利完成新裝配任務，試運行測試成功完成。將試運行測試過程中所有測試履歷及數(shù)據(jù)記錄進行系統(tǒng)合理性分析，并整理歸檔。

6 結(jié)語

通過對工業(yè)機器人實訓平臺模塊化可重構(gòu)硬件系統(tǒng)的研究，完成了實訓平臺模塊劃分和評價方法的定義，并搭建實訓平臺基礎(chǔ)底層硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了實訓平臺底層硬件系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)功能。同時，順利完成了實訓平臺底層硬件系統(tǒng)的測試、軟件的調(diào)試、整體設備的試運行測試、模塊化可重構(gòu)方法的驗證測試，積累了實訓平臺底層硬件系統(tǒng)的設計經(jīng)驗和實測數(shù)據(jù)。針對底層硬件系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)設計不足之處，明確了后續(xù)優(yōu)化方向，為后續(xù)上位機可重構(gòu)軟件系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)工業(yè)機器人實訓平臺的快速重構(gòu)功能提供技術(shù)基礎(chǔ)。