碼垛機器人示教器的設計與實現

朱 琳，李 倩，劉成業，姜明明

（山東省科學院自動化研究所 山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，濟南 250014）

示教器作為示教再現型機器人控制系統的重要組成部分，是進行人機交互的重要工具。操作者通過示教器進行手動示教，控制機器人達到不同位姿，并記錄各個位姿點坐標，利用機器人語言進行在線編程，實現程序回放，讓機器人執行程序要求的軌跡運動，控制機器人完成整個運動過程[1-4]。傳統機器人示教器結構封閉、擴展性差、可移植性差，為了克服這些缺點，設計開發了一種新型通用的碼垛機器人示教器。該示教器與現有技術的示教器相比，能夠實時顯示機器人控制端的界面和控制狀態，對控制端系統依賴性小，易用性高，通訊距離遠，已經應用于碼垛機器人項目上。

1 示教器系統設計

一般的機器人系統是由示教器控制系統、機器人控制系統、機器人本體組成。示教器通過總線與機器人控制系統相連，通過總線對機器人控制系統發送相關控制指令，完成對機器人的控制。目前國內外技術市場上，示教器系統大多采用微處理器和嵌入式微控制器作為系統的處理器，示教器和控制器之間多數采用串口進行通訊。這類示教器有個共同的缺點就是對控制器的系統有很大的依賴性，并且受限于串口通訊的速度，通訊速率低，通訊距離短。

本文設計了一款通用的碼垛機器人示教器，它是基于鍵盤和視頻信號遠程傳輸的方案。示教器上的按鍵由微處理器掃描到鍵值后轉成差分信號進行傳輸，在控制器端轉成單端信號給控制器實現對機器人的運動控制。控制器端的單端視頻經過差分處理后進行傳輸，到示教器后再經過處理轉成單端信號送給示教器上的液晶屏進行顯示，可以通過液晶屏實時觀察機器人的運動狀態。因為鍵盤和視頻信號均采用差分信號進行傳輸，而差分信號具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等特性，使得示教器與控制器之間的通訊距離可以做到30 m以上。本示教器以微處理器和視頻處理芯片為核心，主要部分包括鍵盤、液晶顯示、通訊等模塊，其系統結構如圖1所示。

圖1 示教器系統結構Fig.1 System structure of the teach pendant

2 示教器硬件設計

示教器的硬件設計包括鍵盤信號處理模塊、視頻信號處理模塊和電源模塊3個部分，下面分別進行詳細介紹。

2.1 鍵盤信號處理模塊

鍵盤是示教器的一個重要組成部分，用來對機器人的運動進行直接控制。本示教器采用獨立的9×6矩陣按鍵，按鍵接到微處理器的IO端口，通過微處理器端口掃描來確定是否有按鍵按下。當微處理器掃描到有按鍵按下時，會確認按鍵的鍵值，然后將鍵值通過串口發出，并經過Max485芯片轉成差分信號送給主控制器。主控制器信號處理模塊接收到來自示教器的差分按鍵信號后先經過Max485轉成單端的信號，之后再由微處理器將鍵值轉成相應的PS/2信號送給主控制器，實現示教器按鍵對主控制器的控制。

本系統采用AT89S52作為鍵鼠信號處理的微處理器，它是Atmel公司生產的低功耗、高性能、片內含8 KB Flash的單片機，支持在系統編程，具有外圍硬件電路簡單、體積小、可靠性高等優點。

工業現場環境比較復雜，因此設計了按鍵面膜，用來覆蓋在9×6矩陣按鍵上。一方面可以標識按鍵的符號，另一方面可以對示教器進行密封，起到防潮、防塵、防油污等作用。

2.2 視頻信號處理模塊

相比傳統的示教器，本示教器的一個重要特點就是視頻處理模塊。將來自主控制器端的視頻信號經過信號處理模塊轉化成差分信號進行傳輸。相比單端的視頻信號，差分視頻信號具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點[5-7]。

在主控制器信號處理端，采用ISL59311為單端至差分信號的驅動器。ISL59311是Intersil公司生產的帶同步編碼的高帶寬 （250 MHz）三路差分驅動器，可對視頻同步信號進行完整的編碼，它的輸入適合處理單端或差分形式的高速視頻或其他通信信號。高帶寬也使得差分信號在標準雙絞線或同軸電纜線上有非常低的諧波失真，同時，內部反饋保證輸出有穩定的增益和相位，以減少輻射的電磁干擾和諧波。嵌入邏輯將標準的視頻水平和垂直同步信號編碼到雙絞線的共模信號上，因此不需要另外的線纜來傳輸同步信號[8]。ISL59311的原理框圖如圖2所示。

圖2 ISL59311原理框圖Fig.2 Block diagram of ISL59311

視頻信號通過VGA接口與ISL59311輸入端的75 Ω的終端電阻相連，五路單端信號（RGB顏色信號以及行場同步信號）分別與ISL59311輸入端的INA+、INB+、INC+以及 HSYNC 和 VSYNC 相連，其負顏色分量INA-、INB-、INC-接地。單端的RGB信號被轉換為差分信號，HSYNC和VSYNC在3個差分信號各自的共模信號上進行編碼。ISL59311的50 Ω終端輸出驅動差分R，G，B信號，通過CAT-5雙絞線電纜中3對線纜進行傳輸。本設計中選取單電源供電，供電電壓取5 V，芯片的總功耗約為0.3 W。

在示教器端，采用ISL59911，它是三通道差分接收器和均衡器，帶寬為250 MHz，適用于VGA信號處理。ISL59911的原理框圖如圖3所示。ISL59911具有手動和自動偏移校準功能，±4 dB的增益調整范圍，調整精度為0.1 dB[9]。

圖3 ISL59911原理框圖Fig.3 Block diagram of ISL59911

ISL59911可對水平和垂直方向上的信息進行共模譯碼，該信息由ISL59311的3個差分輸入端編碼，因此僅用3對電纜，就可完整地傳輸RGB視頻信號和行場同步信號。ISL59911為雙電源供電，供電電壓范圍為±5 V，邏輯值在0～+5 V之間，芯片的總功耗約為1.1 W。

ISL59911還有一個重要的特點是具備I2C（interintegrated circuit）接口，在本設計中將I2C接到微處理器。微處理器通過該接口完成對ISL59911芯片的初始化和校準，并且可以通過修改ISL59911內部寄存器的值來設置VGA信號在CAT-5類非屏蔽雙絞線要傳輸的距離。

示教器的顯示屏采用5.6寸TFT彩屏，分辨率為480×320。顯示屏自帶驅動模塊，顯示接口為VGA接口。將ISL59911輸出的RGB顏色信號以及行場同步信號接到VGA接口上，實現對主控制器端視頻信號的顯示。

2.3 電源模塊

示教器的供電來自機器人主控制器，主控制器只能提供12 V的電源。示教器正常工作需要±5 V的電壓，需要通過電源模塊對電壓進行轉換。12 V轉5 V的電源芯片采用了TI的TPS54325，它是一款同步降壓穩壓器，具有可調的軟啟動功能，最大輸出電流3 A，可以工作在-40℃～85℃。

-5 V電壓輸出芯片采用了TI的TPS63700，它是一款負壓輸出的開關電源穩壓器，輸入電壓為2.7～5.5 V，電壓轉換效率高達84%，最大輸出電流1 A，具有內部電流保護、過壓保護、過熱保護等功能，可靠性高。

為了機器人的使用安全，在示教器上設計了急停和切換開關。急停開關用來處理緊急情況下機器人的控制。按下急停開關可以切斷接觸器的供電從而使機器人停止動作。切換開關用來控制各軸伺服電機上下電，應用于手動示教過程中。

3 示教器軟件設計

示教器的軟件設計主要包含示教器鍵盤掃描和鍵值發送、ISL59911的初始化和校準、主控制器端信號處理模塊的鍵值接收和PS/2格式發送，它們均是通過微處理器AT89S52來完成。在示教器端，微處理器循環掃描矩陣鍵盤，如果有按鍵按下，將對按下鍵值進行識別，并將識別到的鍵值通過串口發送。軟件流程如圖4所示。

圖4 示教器軟件流程Fig.4 Flow chart of the teach pendant

在主控制器端信號處理模塊，微處理器接收來自示教器的鍵值信號并將鍵值以PS/2格式發送給主控制器。其軟件處理的流程如圖5所示。

4 測試結果

示教器的軟硬件模塊功能調試完畢后，搭建了測試實驗系統，示教器通過10 m的線纜接到機器人控制柜上，示教器的實物如圖6所示，在工業現場對示教器的功能進行驗證。系統上電后，觀察示教器屏幕上的圖像，發現圖像顯示清晰，沒有拖尾和閃爍。示教器按鍵功能正常，可以通過示教器上按鍵對碼垛機器人進行示教和編程任務，實現了示教器的預期功能。

圖5 主控制器端信號處理軟件流程Fig.5 Flow chart of signal processing in main controller

圖6 示教器實物Fig.6 Photo of the teach pendant

5 結語

設計了一款通用碼垛機器人示教器，采用基于鍵盤和視頻信號遠程傳輸的方案，克服了傳統示教器操作靈活性差、擴展性差等缺點。實際應用表明，該示教器能高效靈活地完成復雜碼垛任務的示教，控制反應迅速、操控效果良好并且具有很強的抗干擾能力，能夠滿足工業碼垛機器人對示教器功能的要求。

[1]呂亭強，羅慶生，姚猛.工業碼垛機器人示教技術的研究與改進[J].計算機測量與控制，2011，19（4）：950-953.

[2]楊敏，王品，鄭玉虎.人機會話方式的機器人示教盒的設計[J].組合機床與自動化加工技術，2013（2）：127-129.

[3]吳向壘，謝存禧.開放式機器人的示教系統研究[J].機電產品開發與創新，2009，22（2）：8-10.

[4]洪鷹，王樂.基于嵌入式計算機的機器人示教器研究[J].計算機工程與應用，2013，49（1）：78-81.

[5]李致金，吳文娟.VGA信號分配及遠程傳輸系統[J].現代電子技術，2010，33（23）：168-173.

[6]陳建平，張輝.高分辨率VGA模擬差分信號處理技術與應用[J].軟件，2011，32（12）：59-62.

[7]任君，徐超，李周奎，等.高清視頻VGA模擬差分信號的遠距離傳輸系統設計[J].光學技術，2013，39（5）：433-437.

[8]Intersil Inc.Differential Video Amplifier with Common Mode Sync Encoder and Serial Digital Interface：ISL59311[EB/OL].http：//www.intersil.com，2011.

[9]Intersil Inc.250MHz Triple Differential Receiver/E-qualizer with I2C Interface：ISL59911[EB/OL].http：//www.intersil.com，2011.