可用于生產線的工業機器人研究

　　摘要：工業機器人在東莞的應用有著巨大的市場和前景，本文介紹的是一種精密型裝配機器人，從它的基本構成數據通信方式、控制器等方面進行介紹，同時總結了現有技術的局限性，也對以后研究方向做了探討。
　　
　　1、簡介
　　
　　隨著信息技術、材料技術、新能源技術等新技術與制造技術的相互交叉、滲透、融合，現在的制造業與過去相比有了許多重大而深刻的變化。El益增長的復雜性是現在制造業的一個重要特點，這不僅表現在制造系統中，還表現在所制造的產品，制造過程以及企業的結構中。這種復雜性為工業機器人的發展提供了一個好的機遇，當然，也是一種挑戰!東莞理工學院處于東莞松山湖高新開發區，東莞作為一個現代制造業名城，正處于產業轉型的zui關鍵時期，如果能適時的把工業機器人應用到各企業生產線的改造中，無疑將有著巨大的空間和前景。
　　
　　本工業機器人是一種精密型裝配機器人，采用四軸伺服電機驅動控制，實現四軸空間聯動，配置不同工具包可實現搬運、碼垛、裝配等工作，具有速度快、精度高、柔性好等特點，采用交流伺機服電機驅動，由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和傳感裝置構成：
　　
　　（1）操作機：通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優化設計。
　　
　　（2）控制器：由開始應用固高科技有限公司的GT系列運動控制器到自主開發基于ARM9的控制器，并且實現了軟件伺服和全數字控制。
　　
　　（3）伺服驅動系統：采用富士伺服器。
　　
　　（4）傳感裝置：正在嘗試使用激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中應用，這樣就能實現自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。
　　
　　（5）網絡通信：機器人控制器已實現了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的連接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的設備向標準化設備發展。
　　
　　2、數據通信方式
　　
　　由于串行通信所用的傳輸線少，傳輸的距離長，有利于實時控制和管理，所以本系統采用了串行通信方式，“串行通信”時，數據在一根數據線上～位一位地進行傳輸，每一位數據都占用某一固定的時間段，但由于計算機CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此在串行接口中必須有“接受移位寄存器”和“發送移位寄存器”，負責串行數據和并行數據間的轉換，能夠完成“串<——>并”轉換功能的電路稱為“通用異步收發器”。在傳輸的速度上，串行通信明顯低于并口通信，但是串行通信的成本低、通信距離長的優勢是顯而易見的。
　　
　　信息傳輸在一個方向上只占用一根通信線，這根線既作數據線又作聯絡線，上位機與機器人間的協議按照如下三個級別來組織的。
　　
　　（1）物理層：是指用來執行這種通信的硬件，包括數據線和控制線本系統中采用RS232串口，機器人一端為9針D形接頭，另一端RJ-45接頭連到了終端服務器TerminalServer擴展的串行接口上，然后通過終端服務器的網絡接口與FMS局域網相連、zui終實現與機器人控制算機的連接。硬件平臺如圖1。
　　
　　（2）數據鏈路層：該層是一種低級的通信協議，該協議利用發送與接受特殊的控制字符確保信息可靠的發送。工業機器人控制器與上位計算機之間的信息交換由字符串組成，該字符串包括實際要交換的信息以及附加的控制字符，附加字符是必須的，以便接受設備能夠決定是否已接受到一個完整的信息。發送一個機器人的控制指令，需要經過以下六個階段：發送開相、打包發送、發送閉相、接受開相、接受解包和接受閉相。
　　
　　（3）應用層：該層是一種的通信協議，該協議定義了每一種信息的內容以及每一種信息的響應。機器人控制器接受到一個信息后，信息必須由其控制器負責譯碼，并作出相應的動作，能夠響應上位計算機信息指令的軟件就稱為應用級協議。在本系統中，主要由上位機發送L0ADV、SAVEV、JwAIT、START四類指令，實現微機啟動機器人并進行實時監控。
　　
　　3、控制器
　　
　　如何有效地將其他領域（如圖像處理、聲音識別、*控制、人工智能等）的研究成果應用到機器人控制系統的實時操作中，是一項富有挑戰性的研究工作．而具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器的研究無疑對提高機器人性能和自主能力、推動機器人技術的發展具有重大意義．機器人控制器是根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業任務的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優劣。
　　
　　這里采用了串行的控制算法處理方式，機器人的控制算法是由串行機來處理。用上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關節運動，這些CPU和主控機是通過總線形式的緊耦合。這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高，但這些多CPU系統共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結構，即每個處理器承擔固定任務，控制器計算機控制系統中的位置控制部分，采用數字式位置控制。硬件平臺本一開始采用固高公司生產的GT系列運動控制器，可以同步控制四個運動軸，實現多軸協調運動。其核心由ADSP2I8l數字信號處理器和FPGA組成，可以實現高性能的控制計算。研究過程中，有以下幾個局限性：
　　
　　（1）開放性差：局限于“計算機、機器人語言、微處理器”的封閉式結構。封閉的控制器結構使其具有特定的功能、適應于特定的環境，不便于對系統進行擴展和改進；
　　
　　（2）軟件獨立性差：軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，難以在不同的系統間移植；
　　
　　（3）容錯性差：由于并行計算中的數據相關性、通訊及同步等內在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導致整個系統的癱瘓；
　　
　　（4）擴展性差：目前，機器人控制器的研究著重于從關節這一級較常見的，比如對空宅導彈導引火來說，鎖定和預偏是兩個經常要用到的功能，而它們卻對伺服系統的形式和速率傳感器的選擇提出丁不同的要求。
　　
　　首先，如果在導引頭內增加一套測速機元什，則問題就可以解決，但這樣做會使系統復雜程度提高，利于產品研制的工程化和小型化；再者，通過計算分析發現，在導彈的掛帆飛行狀態，導引光軸雖然要求復現的是相對彈體的鎖定，搜索和雷達黼動信號，但導彈住掛機狀態彈體擺動角速度不是太大，且擺動持續的時間也不會很長，如果導引頭的鎖定品質能滿足要求，則利用速率陀螺來進行反饋的弊端就可被大大減弱。所以經過綜合考慮，決定仍僅采用速率陀螺作為內回路速度傳感器件，以科于更好地實現光軸對El標的穩定跟蹤。
　　
　　4、仿真驗證
　　
　　以隨動系統復現相對慣性空間穩定的輸入為例，為進一步比較兩種方案，我們利用ADAMs軟件和MATLAB軟件一起進行了位標器運動學、動『J學和控制系統聯合仿真。仿真條件假設目標在空間靜止，在中環通道，分別利用陀螺速度反饋和測速機速度反饋，在彈體擺動情況下，進行目標指示信息的隨動，對指向誤差（即光軸與視線的夾角）的大小進行記錄，仿真結果如圖3所示。
　　
　　其中實線為采用陀螺信號時的誤差，虛線為采用測速機信號時的誤差。結果表明，采用陀螺信號作為反饋信號可以有效地減小彈體擺動情況系統的隨動誤差，此結果與前面理論分析結果也基本一致。
　　
　　5、結語
　　
　　本文詳細分析了動基座隨動系統不同輸入信號的類型，得出對相對基座穩定的輸入采用測速機反饋、對相對慣性空間穩定的輸入采用速率陀螺反饋的傳感器選用原則，并以空空導彈導引頭為例進行了ADAMs和MATLAB聯合數字仿真，仿真結果驗證了分析的正確性。