基于以太网的工业机器人远程信息通信处理研究

马学成

（甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741025）

0 引 言

工业机器人需要达到和人类操作员相同的灵活性，使各种动态满足远程通信处理要求，才能真正实现完全自动化。但是，现有的工业机器人远程通信处理能力有限，对于一些突发事件难以妥善处理。同时给定任务具有多样性特点，在工作环境、工作流程中都需要不同的配置，因而对于操作员灵活调整处理能力提出了更高的要求。

1 远程信息处理

1.1 硬件设置

选择的研究为工业机器人，是丹麦Universal Robot公司生产的UR5型机器人。该工业机器人具有6自由度，5 kg的有效荷载。在UR5机器人中，控制系统对若干标准接口选项加以提供，包括远程通信处理以太网TCP/IP插口。RDT利用UDP协议，能提供7 000 Hz的远程通信处理数据流。所以，在机器人控制系统中，远程通信处理不能直接集成。标准交换器作为使用的唯一附加硬件，主要是连接机器人控制系统和外部F/T传感器的NetBox及远程通信处理的远程信息处理机[1]。利用该接口能够对转矩、速度、位置以及关节等进行远程通信处理，并使用125 Hz频率进行读取。另外，可以通过插口将远程通信处理命令直接写入或在程序循环中包含远程通信处理。远程通信处理外部传感器采用例/力矩传感器，集成在工业机器人中。在远程通信处理AIT Gamma F/T传感器类型中，远程通信处理F/T传感器利用NetBox使用行数据传输，对远程通信处理以太网接口加以提供。系统硬件架构如图1所示。

图1 系统硬件架构（来源互联网）

1.2 控制方案

主程序和各个线程并行执行，在机器人运动状态中，同一时间内能够对不同命令加以远程通信处理。向控制系统发送信息，通过线程部分处理，在姿态信息当中，远程通信处理主要包括指变量x、y、z，方向变量 θx、θy、θz，选择变量 c1、c2等。不同姿势信息变量的用法主要为：移动类型姿势信息变量，包括联合空间、线性、圆形混合；远程通信处理参考坐标姿势信息变量，包括基础坐标、工具坐标、用户坐标；位置姿势信息变量，主要是TCP目标位置；方向姿势信息变量，主要是TCP目标方向；远程通信处理可选变量中，2个变量可以在混合半径、加速度、速度设置中加以应用，对于设置为0的情况，根据默认参数执行。通信控制通道和远程控制机如图2所示。

通过用户界面设备PolyScop，在远程通信处理控制系统中，对带有默认提供机器人语言的完全远程控制远程通信处理进行编写。利用远程通信处理，通过以太网接口，对不同于机器人默认命令格式的信息，通过远程信息处理机进行接收和处理，进而对机器人需要执行的操作做出指示。在远程通信处理程序中，主程序之前，定义IP地址和端口号，设置I/O接口，启动远程信息处理机通信[2]。线程1：为机器人TCP位置方向当前姿态，以0.5 s的频率，向远程机器人连续发送；线程2：为根据收到的远程通信处理命令，对I/O状态检查更改；线程3：作为安全措施，通过不断检查信号来中断主程序中的移动。

图2 通信控制通道和远程控制机（来源互联网）

1.3 远程通信处理

本研究采用了基于Windows 8操作系统的笔记本电脑作为远程信息处理机，其处理器为英特尔iCore3，RAM为4 GB，频率为1.7 GHz。通过Lab VIWE软件，实现控制程序远程通信处理。在软件中，为用户创建了可视化界面，能随时远程通信处理观察机器人的状态和F/T传感器。同时，采用了不同的远程通信处理方法分别创建手动控制系统，用户能够选择向机器人控制系统发送的远程通信处理消息和相应的格式[3]。

2 实施效果

采用机器人钉孔装配实验进行研究，通过实验对远程信息处理机发送特定请求的执行时间进行检查。在这一过程中，远程信息处理机请求控制系统内部测量TCP当前外力。以数据包离开远程信息处理机，应答数据包达到远程信息处理机的时间请求之差，作为执行时间计算。通过Wireshark网络分析仪软件，对具体数据进行捕获。研究表明，第一次完全远程信号处理方法，平均时间为13.8 ms。使用PolyScop编写内部程序中，对1个第四线程做出了定义，从而对TCP力请求进行响应。在这一线程中，主要包括了5条命令，通过对1个变量的设置，对以太网中的消息进行接收和解释。调用函数get_tcp_force()，向远程信息处理机发送结果，最后一个循环，对即将到来的信息读取。而在半远程方法中，则是1.71 ms的平均执行时间。由此能够看出，采用半远程的方法，能够缩短执行时间。应用这一方法，是在机器人控制系统、远程机器人之间，实现了直接控制。

通过实验研究，对2中不同方法，执行相同装配应用的经典离线控制和处理时间做出对比。在钉孔装配应用中，机器人需要完成5个不同姿势。其中，第一个姿势是机器人从开始到结束过程的姿势。利用2个姿势将挂钩夹住，由于末端执行器需要对挂钉垂直接近，才能完成抓握动作。组装阶段，采用相同的步骤，利用2个姿势完成。在离线编程过程当中，运行到完整组装应用程序10次，达到了7.38 s的平均处理时间。在对栓钉抓紧、释放的过程中，分别有1个0.5 s的等待时间，满足机器人再次开始运动之前，打开和关闭夹持器的要求。在半远程控制方法中，对相同步骤加以运用，机器人在上一个姿势完成之后，才能执行下一个移动命令。所以，对传入消息的比较，需要1个检查循环。机器人对每一条信息的发出频率都是125 Hz，包括机器人实际位置。所以，对下一个移动命令发送的触发器，是对发送姿态、接收实际姿态的比较。利用该方法作业，达到了10.21 s的平均处理时间。在完全远程控制方法中，相同等待步骤和过去方法一致。对下一个移动命令的触发，是通过PolyScop写入程序，对相应到达信号发出，代表机器人需要的姿态已完成。利用该方法作业，达到了12.45 s的平均处理时间。在不同方法之间，机器人具有相同的加速度、速度等。在以视觉传感器、F/T传感器为基础的自动钉孔组配中，对完全远程信号处理方法加以运用。根据不用中断模型，采用直观搜索算法，对孔接触力做出检测。在组装任务中，主要包括7个步骤，将主要检测孔为止、图像处理等也包括在执行时间中，达到了27～32 s的作业时间。

3 结 论

在工业机器人的作业过程中，采用基于以太网接口的远程机器人，实现远程信息通信处理，完成作业引导和指挥。通过应用这一方法，可在现有具有有限传感器接口的机器人控制系统中，将外部传感器集成，进而达到引导算法更加智能的要求。通过这一方法，能在需要复杂工艺的应用中，对工业机器人加以应用，如装配精密电子部件等。在全远程信息和半远程信息的不同工业机器人控制方法中，全远程信息控制方法具有外部传感器集成、保护运动、在线Trajcotries一代、实时数据交替以及远程信息控制功能，插入式安装时间为12.45 s；半远程信息控制方法具有实时指导、外部传感器集成、在线Trajcotries一代、实时数据交替以及远程信息控制功能，插入式安装时间为10.21 s；典型离线方法中有实时指导，插入式安装时间为7.38 s。