工業機器人示教系統研究與應用

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本文介紹了一種應用于工業機器人上的示教系統，機器人控制器采用現有的STM32控制器，機器人示教器選取步科觸摸屏作為上位機，利用Modbus通信協議實現工業機器人控制器和示教器之間的通信完成不同的控制任務。工業機器人是一種面向工業領域能夠在各種惡劣環境下根據工藝要求通過程序設計實現各種功能的多關節多自由度的機器裝置。隨著工藝越來越復雜，為了便于人類更好控制機器人，人類研究出機器人的示教再現功能。示教主要是使用機器人的示教器，使機器人能夠實現所需的操作順序、速度、位置等，并將示教過程中的內容存儲起來。再現是指機器人能夠按照已經存儲的任務程序進行運動。（李曉婷.基于WinCE的焊接機器人示教系統研究[D].沈陽:生養工業大學,2018）通過示教再現功能機器人可以快捷的學習目標任務的軌跡路線，而不用變動現場的任何硬件設施，所以研究機器人的示教系統在工業上具有重要意義。

1機器人系統總體設計

工業機器人的示教系統一般由機器人本體、機器人控制器和機器人示教器三部分組成，三者相互獨立而又在功能上相互關聯。（王正陽.嵌入式系統機器人示教器人機交互界面設計實驗及研究[D].合肥:合肥工業大學,2017）機器人本體是指組成機器人的伺服驅動系統和伺服電機，驅動體系為機器人本體提供能源，伺服電機作為機器人任務的執行機構，細化到轉動具體角度；機器人的控制器主要實現對機器人的控制和對工藝環境的檢測，控制器作為橋梁把示教器發送的具體任務指令通過特定的協議傳遞給底層的驅動體系；機器人的示教器主要包含人機交互界面的開發。系統整體結構如圖1所示。

2機器人控制器設計

機器人控制器是工業機器人本體的驅動系統，主要包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要是指控制器，本文所述的機器人控制系統的控制器是基于STM32開發的，如圖2所示；軟件部分主要是指專業技術人員所開發的電機的驅動程序和控制器所帶外設驅動程序。由于控制器已經研發成功，在此主要討論在控制器上設計與示教器的通信協議，常用的通信協議有USB通信、以太網通信和串口通信。USB通信在實際應用中傳輸的距離較短并且其傳輸數據的處理很復雜；以太網通信常常需要添加特定的T-BOX以太網模塊導致控制成本增加；而串口通信在傳輸距離滿足機器人常用環境下的要求，并且傳輸介質只需要兩根線就可以實現通信功能成本極低，因此我們的控制系統選擇RS-485作為載體進行Modbus通信協議來實現機器人控制器和機器人示教器之間的通信。其數據幀的簡單處理過程如圖3所示。

3機器人示教器設計

機器人示教器作為使用者與機器人控制器之間的橋梁（朱文博.基于多人機交互模式的機器人示教系統開發[D].武漢:華中科技大學,2018），一方面，使用者通過示教器上面的人機交互界面可以直接將要傳達的任務指令依據界面按鈕等功能鍵發送給機器人控制器，另一方面，機器人控制器通過所接的傳感器將采集到的周圍環境實時傳輸至機器人示教器上的人機界面顯示出來，供使用者清晰的判斷當前機器人的工作狀態及工作環境。圖4所示是在機器人示教器上的模擬量輸入輸出人機界面。

4測試

為了驗證工業機器人示教系統的實用性，我們搭建測試平臺，使用步科觸摸屏作為工業機器人示教器，通過在步科觸摸屏上組態界面進行人機交互；使用STM32控制器作為工業機器人的控制器，上面下載著Modbus通信協議和所有的有關工藝的一切程序；使用英威騰的伺服驅動器和電機作為機器人的本體和驅動系統。測試環境如圖5所示。5結論根據多次測試可以驗證機器人示教器和機器人控制器之間的通信并無差錯，同時通過機器人示教器上的組態界面很好的完成了人機交互的功能，并同時驗證了機器人控制器的開關量輸入輸出驅動程序、模擬量輸入輸出驅動程序、電機的驅動和T型調速算法等的正確性，為工業機器人示教系統的后續研究與應用打下了堅實的基礎。

作者：杜文學 李適 王欽若 單位：廣東工業大學自動化學院