浙江屹立机器人科技有限公司 浙江省嘉兴市 314100
摘要：随着科学技术的发展，我国对机器人的应用越来越广泛。本文提出了一种新型可重构码垛机器人模块化控制系统。根据机构和运动特性，利用工控机（IPC）、运动控制卡、可编程逻辑控制器（PLC）和人机界面（HMI）实现了控制系统。建立了具有系统层、规划层和资源层的混合式可重构控制体系结构。同时也建立了功能模块的参数化模型，然后系统会根据需要通过一定的重构规则和执行规则对功能模块进行配置，并简单阐述了重构规则和执行规则的设计。通过在件烟码垛自动上下料项目上的运用，验证了系统的可行性。
关键词：可重构；模块化；混合式控制；功能模块；参数化模型
引言
由于不同应用领域的需求，机器人产品正朝着多品种、多规格、小批量、复杂化等方向发展。若仍采用传统的“一个用户需求、一次重新设计”的设计方法，就很难满足这些要求。模块化设计方法与传统设计方法相比，不仅可以通过选择适当模块迅速构建客户所需机器人，而且还能很好解决机器人品种、规格与设计制造的周期、成本之间的矛盾。因此，模块化机器人的研究已经成为机器人产业化前期的热门课题之一。
1模块化设计思想
模块化设计是在产品设计和生产不断发展过程中逐步形成的一种设计方法。而模块化设计思想由来已久，基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定模块，然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化设计的主要目的之一就是力求“以不变应万变”，尽量以少数的模块组成尽可能多的产品。将模块化思想应用于工业机器人设计具有以下优势：①经济性，采用批量制造的标准化系列化工业机器人模块拼装成工业机器人，既能满足用户需求，又能有效降低制造成本；②缩短设计周期，能在用户有紧急需求的情况下比传统设计方法更加快速地设计出满足用户需求的机器人；③互换性强，便于维修；④有利于企业采用先进技术改进旧产品，开发新产品。
2控制系统方案的建立
传统的码垛机器人控制系统均是按照事先拟定好的工艺路线及工作场合进行设计，控制指令用特定语言编写，通过专用控制器上控制机器人作业，如果机器人的作业对象或者工艺路线改变，机器人的控制系统就需重新设计，降低了机器人的柔性。为此，本文设计了一种新型可重构模块化码垛机器人控制系统。利用工控机（IPC）、运动控制卡、PLC和人机界面（HMI）实现了控制系统，整个系统通过进行人机界面HMI，工控机完成核心算法及对不同任务的可重构，且与PLC和运动控制卡不断通信，控制软件在VisualStudio平台上进行编写。在软件部分的模块化设计中可体现出控制系统的可重构性，每个模块只需完成一个特定的子功能，然后将所有的子模块按照某种方法组装成一个整体，并且完成整个系统所要求的功能。该系统就具有了可重构的特点。控制系统采用两级模块化结构，其中主控模块、功能模块和外接模块为一级模块。1）主控模块：主要包含设置、计算及其通信等二级子模块。设置模块主要功能为设置系统参数、码垛参数以及运行参数三部分；计算模块主要完成码垛机器人运行轨迹路线坐标点的计算，以免发生超程，还要对机器人抓取方式做一个优化计算；通信模块的作用是在程序重建之前，通过该模块设置相关的通信参数，并检测通信是否良好。2）功能模块：主要有动作功能和逻辑功能两类。下文将详细阐述二级子模块的划分说明。动作功能模块的作用是使工业机器人能执行特定动作输出；逻辑功能模块的作用是在重构系统时建立起每个动作模块间的逻辑关系。该模块为整个可重构控制系统的核心。3）外部接口模块：主要分为输入、驱动及其反馈等二级子模块。输入模块主要完成一些传感器信号的整合和其它一些特殊信号的输入；驱动模块主要完成驱动各个关节轴的运动和电磁阀的动作；反馈模块主要完成各个关节轴末端运行情况的检测并反馈给运动控制器。
3工业机器人模块化设计过程
对工业机器人所要完成的功能进行分析，划分并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。工业机器人的模块化设计可有效降低成本、缩短设计周期、有利于产品更新换代、便于维修作业、增强产品市场竞争力。
4控制系统的具体实现
4.1功能模块的合理划分及其参数化模型的建立
功能模块为可重构控制系统中的基本组成单元，各个控制功能模块按照逻辑关系重组，即完成了控制系统的重构。控制系统的适用范围直接取决于控制功能模块划分的合理性，即当出现各种控制要求时，是否可以重组现有控制功能模块以实现新的控制要求。根据系统结构和控制任务需要，本文中码垛机器人的功能模块主要有：轴功能模块、循环功能模块、重构规划功能模块、工步功能模块、跳转功能模块、等待功能模块。
4.2自动装配模块库的设计
由多模块组合形成的机器人配置方案的数量巨大，并且手动组装花费很长时间并且效率低。为此，本文对结构模块的接口进行了标准化，即底座，连杆和端部等模块的接口伸出；关节和手腕的界面嵌入；连接模块和移动接头等模块具有扩展型和嵌入式两种。在接口处添加基准平面和基准轴，以进行自动模块组装。
4.3控制模块和伺服模块
工业机器人的控制模块主要是指控制器，控制器根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制。伺服模块用来控制伺服电机，目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器DSP作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。把控制模块、伺服模块、关节模块、连杆模块和传感器有机地结合起来，实现整体功能的集成，就形成模块化工业机器人。这种集成不仅是机械结构按一定坐标系集成，更是在控制模块、伺服模块联系下的有机集成。只有这样，形成的整体才称为模块化工业机器人系统。
4.4重构规则和执行规则的设计
重构规则和执行规则是整个可重构控制系统的核心，上位机按照重构规则重组不同功能模块，下位控制器按照执行规则完成上位机传达的指定任务，重构规则和执行规则的设计直接影响到上位机程序如何设计及下位控制程序如何编写，合理的重构规则和执行规则使上位机友好且易于操作，并简化下位控制器的程序结构，降低下位控制器的存储空间使用，提升下位控制器运行效率。
结语
综上所述，利用工控机、运动控制卡、PLC和HMI实现了控制系统，这样的控制方式可以充分发挥上位机运算能力强的优势，大大减轻了下位机的负担。提出了一种新型的模块划分方法，通过过功能模块的合理划分大大提高了系统的柔性控制，优化了整个系统结构。建立了具有系统层、规划层和资源层的混合式体系结构，实现了功能模块的实时动态可重构。通过对功能模块参数模型的建立，明确了基于重构规则和执行规则下的可重构目标。
参考文献：
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