ＣＡＮ總線在多機器人控制系統中的應用

［摘要］針對多機器人控制系統研究的需要，將CAN總線引入到多焊接機器人系統當中，實現各設備間相互通信、協同操作的分布式控制形式，適應現代工業的發展的需要，便于對整個大型工業系統的控制。本文充分利用CAN現場總線的優點，在多焊接機器人系統中采用開放式的體系結構，通過在CAN現場總線上增減伺服控制節點，實現多機器人運動控制。

［關鍵詞］CAN總線 現場總線 多機器人

近年來隨著機器人研究的不斷深入，機器人技術現已涉及到傳感器技術、控制技術、信息處理技術、人工智能和網絡通信技術等方面，其功能日益強大，結構日趨復雜和完善。多移動機器人的研究工作開始于80年代中期，特別是移動機器人間協調運動控制問題，憑借其工業的需求性和控制的復雜度，現已成為移動機器人方面的一個主要研究方向，在此方面的研究主要集中在多機器人運動描述方法、協調控制、抓取規劃和避障等諸多方面。

隨著現代工業技術的不斷發展，現場總線技術使單個分散的現場設備通過總線連接成相互通信、協同操作的網絡控制系統，實現分布式、開放式控制。在多焊接機器人的控制系統中，引入現場總線技術，可實現分布式控制，滿足現代工業分布式控制的要求，便于對整個系統的監控。

一、多焊接機器人系統

焊接技術是一種極重要的金屬熱加工技術，焊接機器人是在工業機器人基礎上發展起來的先進的焊接設備。焊接機器人應該能夠滿足不同的工作場所和焊接規范要求且能進行焊縫的自動跟蹤、保護氣、焊絲的自動補給。焊接機器人通常包括機器人本體、機器人控制柜、焊機系統及送絲單元、變位機、工裝夾具等部件。多焊接機器人系統是近年來開始探索的一項新技術，多焊接機器人系統將整個作業按照操作和應用的要求，從功能、物理和時間上劃分成多個部分，由具有一定自主能力的單焊接機器人來分別完成各部分的工作。各焊接機器人之間相互通信、彼此協調，共同完成整個復雜系統的操作任務。

本文的多焊接機器人系統控制器，硬件方面采用開放式的結構和模塊化的設計方法，主要由人機界面、軌跡規劃、協調控制等多個模塊構成。人機界面可為用戶提供操作系統和編程環境，便于實現機器人的編程控制，完成預期的任務。軌跡規劃模塊以時間周期的形式進行循環調用，根據傳感模塊反饋回來的信息，生成被控機器人的下一段運動軌跡。協調控制模塊根據傳感器反饋回來的信號，，對各機器人的工作狀態進行局部修正，完成各機器人間的協調運動。由于控制器硬件方面采用分層和模塊化結構，軟件方面以實時多任務操作系統為平臺，該操作系統主要完成編程、執行、系統檢查、協調運動控制算法以及內嵌PLC功能，使機器人可對多個弧焊工作站進行協調運動。

二、CAN現場總線

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，憑借其自身所具有的高性能、高可靠性、易開發和低成本的特點[2]，現已成為全球廣泛應用的現場總線技術之一。CAN現場總線最初用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。隨著應用的不斷展開，現在的應用范圍已經面向到過程控制、機械制造、機器人和樓宇自動華等領域之中，并已成為國際標準。

1.CAN總線的概述

CAN采用雙絞線作為信息傳輸媒介，網絡終端阻抗一般取。最大直接通信距離由傳輸速率決定。若控制節點擁有惟一標識，每一單獨的CAN網絡可以鏈接2032個節點；一般由于硬件方面的限制，實際允許鏈接的控制節點數為110個。

CAN采用非破壞性總線仲裁技術，媒體訪問按節點信息的優先級進行，以滿足實時控制的不同需要。傳輸過程中，信息幀為短幀結構，采用短幀的突出優點是傳輸時間短，抗干擾性強；信息幀包含4種類型：數據幀、遠程請求幀、出錯校驗幀和溢出幀。發送期間若丟失仲裁或者由于出錯而遭到破壞的信息幀可自動重發。

2.基于CAN現場總線的控制系統

控制系統的體系結構如圖所示。監控計算機主要進行編程、管理與監控等功能；機器人控制器完成機器人的運動規劃、協調控制、伺服控制等功能；機器人控制器可直接控制具有標準脈沖接口的交流位置伺服節點，來實現交流電機的控制，也可通過D/A輸出控制交流伺服電機。一個位置伺服模塊可控制6路交流電機，可以通過增減該模塊的數量來控制不同的機器人的運動軸數，從而實現對多個焊接機器人的協調控制。數據采集節點主要進行信息檢測，將檢測來的信息發送到控制器和執行控制節點上，其中包含焊接機器人工作所需的傳感器信息，數據量較大。

控制系統的體系結構圖

三、結束語

將CAN現場總線引入到多焊接機器人系統中，能夠較好的利用CAN現場總線的高速、多主從結構和較好的抗干擾能力，非常適合用于多機器人協調控制，并且與同類技術相比，成本較低，比較適合工業應用，因此可以預見在工業機器人領域中具有較好的發展前景。

參考文獻:

[1]馮金光周華平:CAN總線在仿人機器人運動控制系統中的應用[J].廣東自動化與信息工程，2004(2）:10～12

[2]饒運濤周振軍鄭勇蕓:現場總線CAN原理及應用技術[M].北京航空航天大學出版社，2003

[3]祁永慶董秀林董偉亮:基于CAN總線的PLC在車輛多任務協同控制中的應用[J].工程機械，2003(2）:1～3

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。