模塊化可重構坐標機器人設計

王 濤，李 陽，王 寧，唐 杰

1 引言

為了滿足工業機器人多品種、小批量、柔性化的生產需求，人們將模塊化和可重構思想引入工業機器人設計中[1]。與傳統方法相比，模塊化設計能很好地解決機器人品種多、批量小與設計制造周期長、成本高之間的矛盾[2]。文獻[3]在對機翼變形性能改進應用的案例研究中發現，模塊化設計還可以提高機器人的可靠性并減少系統誤差。而可重構則可以使機器人的設計可以在統一的、標準的、通用的軟硬件平臺上實現，機器人制造商通過重構結構模塊，形成系列化的機器人產品[4]。文獻[5]提出具有六個自由度，并且可從二自由度到六自由度轉換的并聯重構機器人結構模塊，解決了重構機器人主要問題之一的幾何結構確定問題。而文獻[6]則提出了集機械結構設計和運動規劃于一體的一類三維模塊化自重構機器人系統。該系統為自重構運動作為連接點的活動鏈接。連結有三個自由度機械手，立體結構可以被定位和使用該鏈接定向。最終使機器人可以改變結構并在復雜環境中進行工業生產任務。人們不斷的設計探索使得機器人設計可以根據制造產品的變化，對機器人系統進行調整，實現整個系統的最大柔性，同時降低生產線成本[7-8]。

工業機器人廣泛應用在在汽車制造、機械加工、焊接、上下料、磨削拋光、搬運碼垛、裝配、噴涂、航空航天等作業中[9-10]。目前，工業機器人主要分兩大類：（1）關節機器人，俗稱工業機械手；（2）坐標機器人。關節機器人的核心技術主要為一些大的機器人制造商掌控，如ABB，KUKA，FANUC等，機械結構較為成熟，控制系統開放性較差，機器人成本高。與關節機器人相比，坐標機器人結構靈活，控制系統形式多樣，技術門檻不高，成本低廉，設計模塊化，可重構性較好，在工業生產上使用更加廣泛，尤其對于中小制造類企業，成為其制造升級的首選。論文主要針對直角坐標機器人及其系統，研究其模塊化的軟硬件平臺結構，并在模塊化的基礎上，研究其可重構的實現途徑，最后給出了論文所研究機器人系統的設計應用實例。

2 硬件平臺

模塊化的硬件平臺可滿足多種樣式的坐標機器人的設計，如圖1所示。多臺機器人（機器人1，2，…，n）通過互聯網彼此相連，并與工廠計算機相連，形成一個機器人系統。每個機器人由四大模塊組成：集成控制器模塊，伺服驅動模塊，機器人外圍電氣模塊和機械執行機構模塊。集成控制器模塊包括了三個子模塊，運動控制模塊（MC模塊），人機交互模塊（HMI模塊）和PLC模塊。MC模塊是機械人運動控制的核心模塊，可實現對機器人坐標軸的單獨控制和聯動控制，并將控制指令發送給伺服驅動模塊，PLC模塊主要完成與機器人邏輯運算和邏輯控制相關的工作，處理輸入模塊發送來的邏輯信號，并將輸出邏輯發送給輸出模塊；HMI模塊主要用于人與機器人的交互，可完成界面控制操作，實時狀態顯示，設置參數，發送數據，程序管理，運行狀況信息處理和監控等功能。伺服驅動模塊主要由多臺套伺服驅動器和伺服電機組成，驅動機械執行機構完成機器人的運動，該模塊可根據實際的控制軸數進行增裁。機器人外圍電氣模塊主要實現機器人外圍電氣的控制，通過輸入模塊獲得機器人外圍電氣的工作狀態，在PLC模塊進行邏輯處理后，一部分信號送給MC模塊，由MC模塊進行處理；另一部分信號由輸出模塊輸出，實現機器人外圍電氣的工作動作控制。機械執行機構模塊可根據不同的應用形式，設計不同的結構形式，典型的坐標機器人機械結構形式，如圖2所示。可直接利用典型結構形式進行設計，也可根據實際應用需要，對典型結構形式進行結構變異，獲得一種可用的結構。

圖1 模塊化硬件平臺Fig.1 The Modular Hardware Platform

圖2 典型坐標機器人結構Fig.2 The Representative Structure of Coordinate Robot

3 軟件平臺

機器人模塊化軟件平臺組成，如圖3所示。各個模塊的功能如下：（1）初始化與底層驅動模塊：系統開機后，完成對各個硬件模塊和軟件模塊的初始化，檢測機器人系統初始狀態是否正常，并提供整個硬件系統的驅動軟件。（2）HMI模塊（軟）：操作人員主要通過HMI模塊與機器人進行交互，系統參數的輸入，報警信息的顯示，坐標信息的顯示，手動操作信息的輸入等都通過HMI模塊完成。（3）PLC編程模塊（軟）：通過梯形圖設計，完成機器人的邏輯控制。（4）軸控制模塊：負責機器人系統的運動軸配置和控制。（5）工作任務規劃模塊：通過該模塊，實現對機器人負責的具體工作任務進行規劃設計。（6）參數配置模塊：機器人不同的結構形式和不同的應用場合，要求對系統參數進行特定的配置，系統參數模塊主要完成此項功能。（7）系統報警模塊：處理系統的各種報警信息，對各種報警信息進行分級處理，機器人系統根據不同報警級別做出相應處理。（8）信息監控模塊：用于處理機器人系統在運行過程中的狀態監控。

圖3 軟件平臺模塊組成Fig.3 The Modular Softwae Platform

4 可重構實現

通過重構現有機器人，可實現機器人功能的變化，也可以基于現有機器人，重構出新形式的機器人。對于完成不同工作任務的坐標機器人來說，他們之間的區別可歸結為四個主要方面：控制軸數的不同，機器人結構形式的不同，輸入點的不同和輸出點的不同。對于一種機器人，對這四個主要方面中的一個或幾個進行重構，便可獲得具有新功能的機器人。而這四個方面的改變主要通過硬件平臺和軟件平臺中的具體模塊重構來實現。如表1、表2所示，第一行為機器人功能重構的四個方面：控制軸數重構，機械結構形式重構，輸入點重構和輸出點重構；“”表示該列所在功能的重構需要該行所在模塊做出相應的重構，“〇”表示該列所在功能的重構可能需要該行所在模塊做出相應的重構，“×”表示該列所在功能的重構不需要該行所在模塊做出相應重構。

以控制軸數重構為例。一個機器人的控制軸數發生了重構，在硬件平臺上，硬件MC模塊有可能發生重構，如從3軸控制，增加到4軸控制，如果現有MC模塊是3軸模塊，則必須更換4軸模塊，如果現有模塊具有4軸功能，則可以不必更換；同理，從3軸控制減為2軸控制，可以更換MC模塊，也可以不必更換。PLC模塊（硬）有可能不滿足控制軸數功能需要而需要重構，也有可能滿足而不需要重構。伺服驅動模塊，要根據軸數的變化進行相應的增減重構。

同樣，機械執行機構模塊，要根據軸數的變化進行相應的增減重構。輸入模塊和輸出模塊的點數如果不能滿足軸數變化后的功能要求，則需要擴充；如果滿足，則不需要擴充。

表1 可重構實現-硬件平臺Tab.1 Robot Reconfiguration-Software Platform

表2 可重構實現-軟件平臺Tab.2 Robot Reconfiguration-Hardware Platform

在軟件平臺上，HMI模塊（軟）重構表現為增加或減去發生變化的控制軸信息；PLC模塊（軟）需要對與變化的控制軸相關聯梯形圖進行重構設計；由于控制軸數發生了變化，需要對軸控制模塊進行重新配置重構；在工作任務規劃模塊上，對新的工作任務進行重新設計規劃重構；同理，參數配置模塊，系統報警模塊和信息監控模塊也需要根據軸的變化做出相應的重構變化調整。

同理，對于機器人其它三個方面的功能重構：機械結構形式重構，輸入點重構和輸出點重構，也對應著機器人硬件平臺和軟件平臺相關模塊的重構。從表1、表2中不難發現：與控制軸數重構相關聯的軟硬件模塊數量最多，機械結構形式重構次之，輸入點重構和輸出點重構最少，據此，可以將機器人的重構分三個層次，如圖4所示。控制軸數重構屬于核心層，機械結構形式重構屬于次核心層，輸入點重構和輸出點重構位于最外層。從內向外，里層的重構，必然引起外層的重構。例如，核心層重構（控制軸數重構），必然引起機械結構形式的變化，即次外層重構（機械結構形式重構），也會引起輸入點和輸出點的變化，即最外層重構。而輸入點和輸出點重構，一般是改變機器人及其附件上的一個或幾個邏輯控制，不會引起機器人控制軸數和結構形式的改變。很明顯，對現有機器人進行核心層和次核心層重構一般會得到一個新的機器人，而進行最外層重構，只會改變現有機器人的邏輯控制功能。

圖4 機器人重構的三個層次Fig.4 Three Levels of Robot Reconfiguration

5 應用實例

前述方法在實際坐標機器人的設計中進行了應用，設計的一臺坐標機器人樣機，如圖5所示。集成控制器選用新代HC8AK觸控屏控制器，伺服驅動模塊選用3套Ruking750W伺服驅動器+電機系統，機械結構選用鋁型材框架式結構。該樣機能夠完成吸取物料并放至指定黃色箱子中等功能。

圖5 坐標機器人樣機Fig.5 The Coordinate Robot Prototype

在前述機器人單機基礎上，利用這里的重構方法，設計并制造了電梯門板生產線系統，應用在某電梯生產企業。系統方案圖，如圖6所示。實物圖，如圖7所示。

圖6 坐標機器人電梯門板生產線系統設計方案Fig.6 Design for the Production Line of Elevator Door by Coordinate Robot

圖7 坐標機器人電梯門板生產線系統Fig.7 The Production Lines System of Elevator Door by Coordinate Robot

在該系統的設計過程中，還將工廠原有的串聯機械手整合到生產線中來，既提升了工廠的生產制造技術，又利用了工廠原有設備，降低了新生產線的成本。該設計方案使工廠生產電梯門板實現了無人化、全自動化，并且可根據生產需要將產量控制在（45～50）s一個節拍。最大日產量可達1500只以上。該方案是模塊化可重構坐標機器人設計思想的全面體現，含有控制軸數重構，機械結構形式重構，輸入點重構和輸出點重構全部思想。人們還可以根據需要應用這里的設計思想對其他工業產品的自動化、無人化生產加以應用。

6 結論

（1）為了滿足當代工業機器人的生產需求，論文主要針對直角坐標機器人及其系統，設計了模塊化的軟、硬件平臺結構，并對軟、硬件各個模塊的關系和功能進行了具體詳細的闡述。（2）在模塊化的基礎上，分別給出了其可重構性在軟、硬件平臺上的實現途徑。提出了機器人重構的四個方面：控制軸數重構，機械結構形式重構，輸入點重構和輸出點重構。（3）將機器人重構歸結為核心層重構，次核心層重構和最外層重構。指出機器人經過核心層和次核心層重構，能得到一個新的機器人，而最外層重構，只會改變原有機器人的邏輯控制功能。（4）給出了這里所研究機器人系統的設計應用實例。