基于ORiN2 的機(jī)械臂示教軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鵬，馮偉

（ 1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫；2. 江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫）

一 引言

工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，它可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善工人的勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品產(chǎn)量[1-2]。目前很多高校都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人方向的課程[3-4]，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，機(jī)械臂價(jià)格昂貴，無(wú)法做到每生一臺(tái)，只能配備一臺(tái)或幾臺(tái)，以組或班級(jí)為單位輪流使用，這樣的現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了教學(xué)效果及教學(xué)效率[5-6]。

采用與機(jī)械臂配套的示教軟件可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，但工業(yè)機(jī)器人自帶的示教軟件封裝度高，學(xué)生只能使用它設(shè)計(jì)應(yīng)用，無(wú)法了解機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，教學(xué)效果大打折扣。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ORiN2 的機(jī)械臂示教軟件，它全部開(kāi)源，在教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生可以通過(guò)軟件了解到機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)過(guò)程、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理等知識(shí)，可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。

二 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

機(jī)械臂示教系統(tǒng)框圖如圖1，包括機(jī)械臂本體、夾持具、智能相機(jī)和示教軟件。機(jī)械臂本體為DESNO VP6242G 六自由度機(jī)械臂，控制器型號(hào)為RC7M；智能相機(jī)為信捷X-SIGHT 智能工業(yè)相機(jī)；夾持具為ESG1-SD-4220 電動(dòng)夾爪；示教軟件為論文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的示教軟件。

圖1 系統(tǒng)框圖

機(jī)械臂示教軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#，具有的功能模塊有：機(jī)械臂操作模塊、3D 仿真模塊、通信模塊、智能相機(jī)模塊、夾持具模塊、工程管理模塊。

三 機(jī)械臂操作模塊

（一） ORiN 簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線存在各種設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，用戶的應(yīng)用程序只能針對(duì)特定的廠商或型號(hào)，無(wú)法使用其它廠商的產(chǎn)品或型號(hào)替代，可靠性及可維護(hù)性差。為了改變這種現(xiàn)狀，日本機(jī)器人協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)了一種通用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)ORiN，稱為“開(kāi)放機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)接口”，它是一種應(yīng)用程序框架，通過(guò)它用戶可以用一種通用的方法處理各種機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備，甚至數(shù)據(jù)庫(kù)或文件，避免了不同廠商或協(xié)議導(dǎo)致的可靠性及可維護(hù)性問(wèn)題[7-8]。

ORiN 由3 種技術(shù)組成：CAO、CAP、CRD。

CAO（Controller Access Object，控制器訪問(wèn)對(duì)象），它是應(yīng)用程序與自動(dòng)化設(shè)備的程序接口，通過(guò)它用戶可以編寫不依賴于具體自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用程序。

CAP（Controller Access Protocol，控制器訪問(wèn)協(xié)議），它是一個(gè)面向Internet 的通信協(xié)議，通過(guò)它可以訪問(wèn)Internet 上的CAO Provider（CAO 提供者）。CAO 引擎通過(guò)分布式對(duì)象技術(shù)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的CAO Provider，但因?yàn)榘踩蛩兀@種訪問(wèn)經(jīng)常受阻。為克服這個(gè)問(wèn)題，CAP 在ORiN2 中被加入。它實(shí)質(zhì)上是基于SOAP（Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）的一種遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議，通過(guò)CAP Provider（CAP 提供者），CAP 信息可以被生成并傳輸。

CRD（Controller Resource Definition，控制器資源定義），它是一種表示機(jī)器人控制器資源信息的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)架構(gòu)。控制器的資源信息使用XML 表示。機(jī)器人控制器一般有2 種信息，一種是動(dòng)態(tài)信息，例如機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸的角度以及機(jī)械臂末端位置；另一種信息是靜態(tài)信息。

（二） 基于ORiN2 的機(jī)械臂控制的實(shí)現(xiàn)

ORiN2 安裝到計(jì)算機(jī)之后，以API 的方式被C#調(diào)用，具體的DLL 文件為安裝目錄下的CaoRCW.DLL。調(diào)用DLL 文件后導(dǎo)入如下命名空間即可在程序中通過(guò)ORiN2 的函數(shù)控制機(jī)械臂。

1.機(jī)械臂的連接

示教軟件與機(jī)械臂本體通過(guò)以太網(wǎng)連接，調(diào)用ORiN2 的CAO 即可實(shí)現(xiàn)，其中CAO 的引擎層是與應(yīng)用程序的實(shí)際接口，所以先建立引擎對(duì)象caoEng，其他對(duì)象都是在其基礎(chǔ)上建立的；然后建立控制器對(duì)象，具體函數(shù)為caoCtrls.Add( )，其四個(gè)參數(shù)先后分別為：控制器對(duì)象名稱，自定義；Provider 名稱，它固定為CaoProv.DENSO.NetwoRC；運(yùn)行應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)名稱，可以為空；選項(xiàng)字符，固定格式為“Conn=eth:”+機(jī)械臂的IP 地址+“：”+機(jī)械臂端口號(hào)，端口號(hào)固定為4112。建立連接的相關(guān)代碼為：

2.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡是由軌跡上相鄰兩點(diǎn)的軌跡連接而成，點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的最小單位。

ORiN2 使用CaoRobot 類的Move( ) 函數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。它的調(diào)用方式為：

第一個(gè)參數(shù)為運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)方式，1 為P 型插補(bǔ)。第二個(gè)參數(shù)是通過(guò)方式，“@0”代表機(jī)械臂通過(guò)位置時(shí)，電機(jī)指令與目標(biāo)位置一致即認(rèn)為動(dòng)作結(jié)束。第三個(gè)參數(shù)是目標(biāo)的P 型位姿數(shù)據(jù)。第四個(gè)參數(shù)為運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，可以省略。

將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡上的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)保存，并使用上述函數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂依次通過(guò)這些關(guān)鍵點(diǎn)即可完成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制。

四 3D 仿真模塊

3D 仿真是通過(guò)C# 調(diào)用CsGL 庫(kù)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂建模采用的是D-H 參數(shù)法[11-16]，它是Denavit 和Hartenberg 于1955 年提出的。我們以一個(gè)三軸機(jī)械臂的D-H 建模過(guò)程來(lái)了解下D-H 建模方法。

（一） 確定各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系

Z 軸方向：Z 軸方向沿本軸的軸線方向（電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的方向）；X 軸方向：X 軸沿Zi 和Zi-1 軸的公垂線指向Zi，一般可認(rèn)為是手臂的方向；Y 軸方向：Y 軸方向與 Z 軸方向、X 軸方向共同滿足右手直角坐標(biāo)系；

按照法則，我們需要建立5 個(gè)坐標(biāo)系{0}、{1}、{2}、{3}、{4}。其中坐標(biāo)系{0}為參考坐標(biāo)系，即世界坐標(biāo)系，是一個(gè)固定的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系{1}、{2}、{3}分別為三個(gè)手臂的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系{4}為夾持具的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系如圖2。

圖2 各關(guān)節(jié)坐標(biāo)示意圖

（二） 確定D-H 參數(shù)

D-H 參數(shù)有四個(gè)：ai、αi、di、θi。ai 為手臂i 的長(zhǎng)度，即相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)軸的距離，兩關(guān)節(jié)平行時(shí)為此節(jié)的手臂長(zhǎng)度li,兩個(gè)關(guān)節(jié)軸垂直時(shí)為0；αi 為相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)的軸線間的夾角，兩關(guān)節(jié)平行時(shí)為0，兩關(guān)節(jié)垂直是為90；di 為在Zi-1 方向上Xi 與Xi-1之間的距離；θi 為Xi-1 軸沿Zi-1 軸旋轉(zhuǎn)到Xi 軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。前兩個(gè)參數(shù)是描述某手臂本身的特征， 由Zi-1 和Zi 之間的距離和夾角決定，后兩個(gè)參數(shù)是描述相鄰的軸之間的連接關(guān)系，由Xi-1 和Xi 之間的距離和夾角決定。表1 為三軸機(jī)械臂的D-H 參數(shù)表。

表1 D-H 參數(shù)表

根據(jù)D-H 參數(shù)法建模得到的三軸機(jī)械臂3D 圖如圖3。按照相同的方法建立的DESNO VP6242G 六軸機(jī)械臂的3D 圖如圖4。

圖3 3 軸機(jī)械臂仿真圖

圖4 VP6242G 3D 仿真圖

五 夾持具模塊

系統(tǒng)使用的電動(dòng)夾持具為日本TAIYO( 日本太陽(yáng)鐵工株式會(huì)社) 的ESG1-SD-4220 電動(dòng)夾爪，其控制器型號(hào)為ESC11-B，它可以設(shè)置1 個(gè)原點(diǎn)及31 個(gè)位置點(diǎn)。ESC11-B 的I/O 線與機(jī)械臂的I/O 線直接相連以接收控制信號(hào)及返回狀態(tài)信號(hào)。C#調(diào)用ORiN2 的函數(shù)即可控制夾持具動(dòng)作。

首先定義變量handStart、handBusy 及數(shù)組CaoVariable[5]，它們分別代表夾爪啟動(dòng)信號(hào)、夾爪狀態(tài)信號(hào)、夾爪位置。然后通過(guò)caoCtrl.AddVariable（）函數(shù)將變量與機(jī)械臂控制器RC7M 的I/O 線關(guān)聯(lián)。上述代碼意義為：69 號(hào)I/O 線控制夾爪啟動(dòng)，49 號(hào)讀取夾爪狀態(tài)，64-68 號(hào)控制夾爪運(yùn)動(dòng)位置。64-68號(hào)I/O 線的值與夾爪位置對(duì)應(yīng)表如表2。

表2 I/O 值與夾爪位置對(duì)應(yīng)表

六 其他模塊

其他模塊沒(méi)有與ORiN2 直接相關(guān)，我們簡(jiǎn)單介紹即可。

工程管理模塊：工程是本軟件操作的基本作業(yè)單元，此模塊采用C#操作數(shù)據(jù)庫(kù)及Excel 完成。它完成新建工程、工程文件的導(dǎo)入與導(dǎo)出、工程的修改等功能。

通信模塊：通信模塊主要涉及計(jì)算機(jī)與智能相機(jī)的通信、計(jì)算機(jī)與機(jī)械臂的通信。前者采用的是ModBus/TCP 協(xié)議，后者采用TCP 協(xié)議。

智能相機(jī)模塊：智能相機(jī)的作用是獲取機(jī)械臂操作平臺(tái)上的實(shí)時(shí)圖像， 并從圖像中甄別出目標(biāo)物體， 同時(shí)將目標(biāo)物體的坐標(biāo)傳遞給計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的示教軟件，以控制機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行操作。

七 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)行本軟件的計(jì)算機(jī)與DENSO VP6242G 及智能相機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)相連，智能相機(jī)安裝于DENSO VP6242G 的第六軸，電動(dòng)夾爪安裝于機(jī)械臂的第六軸末端。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為控制機(jī)械臂夾取工件，步驟為：

通過(guò)示教軟件控制機(jī)械臂末端移動(dòng)到運(yùn)行軌跡各關(guān)鍵點(diǎn)，并調(diào)整至合適的位姿，獲取各點(diǎn)的位姿參數(shù)并保存；

通過(guò)3D 仿真運(yùn)行，驗(yàn)證機(jī)械臂的運(yùn)行是否正確；

驗(yàn)證通過(guò)后，機(jī)械臂運(yùn)行路徑的最后點(diǎn)坐標(biāo)由智能相機(jī)捕獲并傳給示教軟件，由示教軟件自動(dòng)控制機(jī)械臂和電動(dòng)夾爪動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明軟件運(yùn)能夠方便快捷的控制機(jī)械臂按照指定的方式穩(wěn)定的運(yùn)行。軟件的主界面如圖5。

圖5 示教軟件主界面

八 結(jié)語(yǔ)

基于ORiN2 的機(jī)械臂示教軟件解決了機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中所遇到的因成本導(dǎo)致的設(shè)備不足的問(wèn)題，提高了教學(xué)效率，增強(qiáng)了教學(xué)效果。它全部開(kāi)源，學(xué)生可以掌握機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，學(xué)習(xí)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)及D-H 建模方法等知識(shí)。此軟件還可以應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)等課程，供學(xué)生進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。