摘要:为了给编程人员创造一个良好安全的操作环境以及提高示教编程质量,以MOTOMAN-UP6机器人为研究对象,开发了一个基于PC机的工业机器人控制平台。采用面向对象技术对MO-TOCOM32库进行了封装,并基于封装库的公开接口和RS232串口通信协议,编写了MOTOMAN机器人控制平台的代码程序,定制了控制管理、视频监控、文件管理、机器人运动控制和示教编程等功能。经MOTOMAN-UP6机器人的控制实验验证,除了视频图像略有滞后外,工业机器人控制平台的各项功能均得以实现。

关键词:工业机器人;控制平台;

引言

随着机器人技术的发展和工业自动化水平的提高,工业机器人已成为柔性制造系统中的重要设备之一,实现主控计算机对工业机器人的通信和控制,是当前该领域的一个研究热点。

文献[1]设计了一个基于网络的机器人控制系统,实现了对机器人六个关节的状态读取和运动控制,但控制系统的功能比较单一,无法对机器人进行其他的控制操作。文献[2]通过视觉反馈系统和离线示教仿真机器人,实现了对本地服务机器人的运动控制和示教编程,但操作者只能采用关节控制方式和默认的运动插补方式来控制机器人的运动。基于RS232串口通信,文献[3]实现了对机器人单个关节的运动控制和对手腕的直角坐标控制,文献[4]实现了对搬运机器人行走和机械手爪抓取的一系列控制。但这些控制过程只能单步运行,不能编辑成完整的作业程序,而且运行速度和插补方式也无法由操作者自己设定。此外,上述机器人控制系统仅局限在实验教学领域,难以满足实际工业生产中对机器人的控制需求。为了提高机器人控制系统的实用性,本文结合实验室现有的MOTOMAN-UP6机器人,开发了一个符合实际生产需求的工业机器人控制平台。

1

系统的组成和工业机器人控制平台的功能设计 本文研究的工业机器人控制系统主要由PC机、MOTOMAN-UP6机器人、YASNAC-XRC控制柜和摄像头组成。由于YASNAC-XRC控制柜只提供了RS232串口,因此,PC机与YASNAC-XRC控制柜采·53·2010年第11期·控制与检测·用串口通信线连接。整个工业机器人控制系统的结构如图1所示。图1

机器人控制系统的结构工业机器人的示教盒向操作者提供了控制机器人的界面和机器人的实时状态信息,因此,目前操作者对工业机器人的运动控制和程序编制等操作基本都是在示教盒上完成的[5-7]。但是,示教盒作为操作机器人的手持终端,其显示屏和按键区域就不能做的过大,而且,在示教状态下对机器人进行运动控制时,操作者必须一直按住伺服电源启动键,这些限制都给操作者带来诸多不便。为了摆脱示教盒的束缚,使操作者可以方便地在PC机上实现对工业机器人的直接控制,本文设计了一个工业机器人控制平台。该平台主要包含以下五个模块:

(1)控制管理模块主要功能有“建立通信”、“断开通信”、“接通伺服”和“断开伺服”,实现了PC机与机器人控制柜之间的通信管理,以及对伺服电源的通断控制。

(2)视频监控模块当视频设备与PC机连接成功后,该模块可以实时显示机器人的现场工作画面,便于操作者监控机器人在示教编程和执行作业文件时的运动情况。该模块还可以允许操作者设置图像的来源、格式和单帧拍摄,以及进行视频录制和视频压缩设置等。

(3)文件管理模块当PC机与机器人控制柜建立通信后,该模块可以显示机器人控制柜中的作业文件列表,并提供了机器人作业文件的“上传”、“下载”、“删除”和“运行”功能,实现了作业文件在PC机与机器人控制柜之间的高速交换,以及对机器人控制柜中作业文件的管理。

(4)机器人运动控制模块该模块包含了对机器人的单步控制、六轴联动控制、机器人末端位姿显示、各关节的脉冲显示和角度显示。操作者可以根据自己的要求,设定插补方式(有关节插补或直线插补两种方式可供操作者选择)、单步增量方式(有角度增量、脉冲增量和位移增量三种方式可供操作者选择)、单步增量的具体数值和运行速度的具体数值。

1)单步控制功能:可以根据操作者设定的运行参数,在直角坐标方式下,实现对机器人末端执行器单个自由度方向的运动控制,或在关节坐标方式下,实现对机器人单个关节的运动控制;

2)六轴联动控制功能:根据操作者设定的运行参数和目标点位姿,实现对机器人六个关节的联动控制,并且设置了“复位”按钮,方便操作者对机器人进行复位操作;

3)机器人末端位姿及各关节脉冲、角度显示功能:通过读取机器人的当前位置和姿态,实时显示机器人的末端位姿信息,以及各关节的脉冲和角度信息。

(5)示教编程模块使操作者能够在安全的编程环境下,轻松地编写和修改机器人的作业文件,主要具有以下功能:

1)运动指令语句的“添加”、“删除”和“清除”功能,并反白显示刚刚添加的运动指令语句,或者反白显示删除语句上一行的运动指令语句;

2)在示教编程器中双击某一行运动指令语句或控制语句,就可以对该行语句进行替换修改,或者在该条语句之后添加一行控制语句;

3)“保存JOB文件”按钮用于保存示教编程生成的机器人作业文件,保存后的作业文件可通过文件管理模块下载到机器人控制柜中;

4)“机器人随动”功能,用于再现与某一行运动指令语句对应的机器人位姿,当选中“机器人随动”功能后,鼠标左键单击到哪一行运动指令语句,机器人就以该语句设定的插补方式和运行速度运动到指定的位姿点。

2

工业机器人控制平台的程序编制

2.1

MOTOCOM32库的面向对象封装本文利用MOTOMAN机器人的软件开发工具包MOTOCOM32,在VC++6.0平台上开发MOTOMAN机器人的控制平台,然后根据RS232串口通信协议,实现PC机对MOTOMAN-UP6机器人的控制。在VC++6.0中使用MOTOCOM32的方法可参考文献[8],在其它编译器中使用MOTOCOM32的方法与此相似,具体可参考文献[9]和文献[10]。

由于安川电机公司提供的库手册中,对于一些函数的使用方法介绍不是很详细,而且,运动控制函数的非阻塞性,会导致某些指令序列在执行过程中出错。为提高MOTOCOM32库的易用性,解决非阻塞函数在使用过程中产生的问题,本实验室采用面向对象技术对MOTOCOM32库进行封装。

组合机床与自动化加工技术在此之前,文献[8]已经完成了MOTOCOM32部分功能的面向对象封装,并提供了封装之后的公开接口。本文在此基础上,对另外一些常用功能进行了面向对象封装,充实后MOTOCOM32封装库的公开接口如表1所示。表1 MOTOCOM32封装库的公开接口公开接口功能描述Connect建立通信DisConnect断开通信ServoOn接通伺服ServoOff断开伺服GetRobotPosition获取当前机器人的末端位姿GetRobotPulse获取当前机器人各关节的脉冲数GetRobotAngle获取当前机器人各关节的角度MoveLineTo直线插补方式运动(参数为直角坐标值)MoveJTo关节插补方式运动(参数为直角坐标值)PMoveLineTo直线插补方式运动(参数为脉冲值)PMoveJTo关节插补方式运动(参数为脉冲值)GetJobList读取控制柜中的所有作业文件AddJob从PC机向控制柜传送作业任务SaveJob从控制柜向PC机传送作业任务DeleteJob删除控制柜中的作业文件CallJob使机器人运行控制柜中的作业文件GetStatus获取当前状态(teach,play…)

2.2

程序代码的编写完成MOTOCOM32库的面向对象封装之后,就可以利用这些公开接口编写MOTOMAN机器人控制平台的代码程序,其中,示教编程模块是控制平台开发的重点功能之一。本文使用列表框控件作为示教编程器的主体部分,用于显示作业文件中的运动指令语句和控制语句。为记录运动指令语句的编号、插补方式、运行速度、关节电机的脉冲数,以及控制语句的在指令体中的位置,本文根据这些参数对整个作业文件进行划分,每种参数都在程序后台由对应独立的数组来记录,当添加或删除一行运动指令语句或控制语句时,对应数组内的存储数据也会发生相应的变化。运动指令语句或控制语句的替换修改功能和机器人随动功能,分别通过列表框控件的双击响应函数和单击响应函数来实现。

工业机器人控制平台的实现与测试完成控制平台的代码编写和调试之后,本文开发的MOTOMAN机器人控制平台如图2所示。为防止操作者的误操作导致程序出错或对机器人造成损害,本文对一些有操作顺序要求的控件进行了失效处理,当满足操作条件后,再恢复这些控件的相应功能。

为测试MOTOMAN机器人控制平台的功能,我们进行了如下实验:

(1)将YASNAC-XRC控制柜的串口通信线连接到PC机的串口之后,点击控制管理模块的“打开通信”按钮。此时,“XRC中的作业文件”下拉列表里出现了控制柜中存储的JOB文件名,而且,末端位姿及各关节脉冲、角度显示栏显示了当前机器人的状态,表明已成功建立了PC机、YASNAC-XRC控制柜和MOTOMAN-UP6机器人三者之间的通信。

(2)点击文件管理模块中的“选择”按钮,选择PC机上的一个JOB文件,然后点击“下载”按钮,在弹出下载成功的提示后,发现“XRC中的作业文件”下拉列表里出现了刚刚下载的JOB文件名。再选中下拉列表里的任一个作业文件名,点击“上传”按钮选择文件的存储路径,在弹出上传成功的提示后,可以看到刚才选择的存储路径中出现了刚刚上传的JOB文件。

(3)点击控制管理模块的“视频监控”按钮,画面区域显示出MOTOMAN-UP6机器人的图像,表明视频监控已成功开启。点击“接通伺服”按钮,选中“XRC中的作业文件”列表框里的任一个JOB文件名,点击右侧的“运行”按钮,从视频监控系统中可以实时观察机器人的运行情况,如图3a所示。

(4)在机器人运动控制模块中选择一种运动指令(即插补方式)和单步增量方式,再输入增量值、运行速度和六轴联动栏中的位姿参数,测试单步控制栏和六轴联动栏的运动控制按钮,可以观察到MO-TOMAN-UP6机器人在直角坐标和关节坐标两种方式下的不同运动,而且末端位姿及各关节脉冲、角度显示栏中实时显示了机器人的位姿状态。

(5)利用单步控制栏中和六轴联动栏中的按钮,对MOTOMAN-UP6机器人进行示教,通过示教编程模块的“添加”按钮将每一步运动记录下来。双击程序中的某一行语句,可对其进行编辑修改,如图3b所示。选中“机器人随动”功能后,用鼠标左键单击任一行语句,机器人可以再现该语句对应的位姿。示教编程结束后,点击“保存JOB文件”按钮将生成的机器人作业文件保存到PC机上,然后通过文件管理模块将该JOB文件下载至机器人控制柜。点击“运行”按钮,机器人就可以准确再现刚才的示教过程。

在实验过程中,控制平台的各个功能模块运行准确、稳定,视频监控画面清晰,除了视频图像略有滞后外,工业机器人控制平台的各项功能都达到了设计要求。

结束语

(1)工业机器人控制平台改善了操作者的示教编程环境,由定量输入替代了凭经验操作的模式,便于操作者对作业程序进行精确的编辑和修改。

(2)控制平台实时反映了机器人末端执行器的当前位姿以及各关节的脉冲和角度状态,为操作者标定工件坐标系提供了方便。

(3)MOTOCOM32封装库的公开接口降低了编程难度,方便了操作者对控制平台进行二次开发。

(4)视频监控图像相对于机器人的实际运动略有滞后,图像传输速度有待提高。

[参考文献]

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