工业机器人示教系统研究与应用

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本文介绍了一种应用于工业机器人上的示教系统，机器人控制器采用现有的STM32控制器，机器人示教器选取步科触摸屏作为上位机，利用Modbus通信协议实现工业机器人控制器和示教器之间的通信完成不同的控制任务。工业机器人是一种面向工业领域能够在各种恶劣环境下根据工艺要求通过程序设计实现各种功能的多关节多自由度的机器装置。随着工艺越来越复杂，为了便于人类更好控制机器人，人类研究出机器人的示教再现功能。示教主要是使用机器人的示教器，使机器人能够实现所需的操作顺序、速度、位置等，并将示教过程中的内容存储起来。再现是指机器人能够按照已经存储的任务程序进行运动。（李晓婷.基于WinCE的焊接机器人示教系统研究[D].沈阳:生养工业大学,2018）通过示教再现功能机器人可以快捷的学习目标任务的轨迹路线，而不用变动现场的任何硬件设施，所以研究机器人的示教系统在工业上具有重要意义。

1机器人系统总体设计

工业机器人的示教系统一般由机器人本体、机器人控制器和机器人示教器三部分组成，三者相互独立而又在功能上相互关联。（王正阳.嵌入式系统机器人示教器人机交互界面设计实验及研究[D].合肥:合肥工业大学,2017）机器人本体是指组成机器人的伺服驱动系统和伺服电机，驱动体系为机器人本体提供能源，伺服电机作为机器人任务的执行机构，细化到转动具体角度；机器人的控制器主要实现对机器人的控制和对工艺环境的检测，控制器作为桥梁把示教器发送的具体任务指令通过特定的协议传递给底层的驱动体系；机器人的示教器主要包含人机交互界面的开发。系统整体结构如图1所示。

2机器人控制器设计

机器人控制器是工业机器人本体的驱动系统，主要包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要是指控制器，本文所述的机器人控制系统的控制器是基于STM32开发的，如图2所示；软件部分主要是指专业技术人员所开发的电机的驱动程序和控制器所带外设驱动程序。由于控制器已经研发成功，在此主要讨论在控制器上设计与示教器的通信协议，常用的通信协议有USB通信、以太网通信和串口通信。USB通信在实际应用中传输的距离较短并且其传输数据的处理很复杂；以太网通信常常需要添加特定的T-BOX以太网模块导致控制成本增加；而串口通信在传输距离满足机器人常用环境下的要求，并且传输介质只需要两根线就可以实现通信功能成本极低，因此我们的控制系统选择RS-485作为载体进行Modbus通信协议来实现机器人控制器和机器人示教器之间的通信。其数据帧的简单处理过程如图3所示。

3机器人示教器设计

机器人示教器作为使用者与机器人控制器之间的桥梁（朱文博.基于多人机交互模式的机器人示教系统开发[D].武汉:华中科技大学,2018），一方面，使用者通过示教器上面的人机交互界面可以直接将要传达的任务指令依据界面按钮等功能键发送给机器人控制器，另一方面，机器人控制器通过所接的传感器将采集到的周围环境实时传输至机器人示教器上的人机界面显示出来，供使用者清晰的判断当前机器人的工作状态及工作环境。图4所示是在机器人示教器上的模拟量输入输出人机界面。

4测试

为了验证工业机器人示教系统的实用性，我们搭建测试平台，使用步科触摸屏作为工业机器人示教器，通过在步科触摸屏上组态界面进行人机交互；使用STM32控制器作为工业机器人的控制器，上面下载着Modbus通信协议和所有的有关工艺的一切程序；使用英威腾的伺服驱动器和电机作为机器人的本体和驱动系统。测试环境如图5所示。5结论根据多次测试可以验证机器人示教器和机器人控制器之间的通信并无差错，同时通过机器人示教器上的组态界面很好的完成了人机交互的功能，并同时验证了机器人控制器的开关量输入输出驱动程序、模拟量输入输出驱动程序、电机的驱动和T型调速算法等的正确性，为工业机器人示教系统的后续研究与应用打下了坚实的基础。

作者：杜文学 李适 王钦若 单位：广东工业大学自动化学院