□張 力 □蔣勁峰 □呂 燕

上海電氣集團股份有限公司中央研究院上海200070

基于WinCE的搬運機器人示教軟件設計

□張 力 □蔣勁峰 □呂 燕

上海電氣集團股份有限公司中央研究院上海200070

設計了一種基于WinCE操作系統(tǒng)的機器人示教軟件，闡述了示教軟件的功能模塊，特別是串行通信模塊中RS485總線通信關鍵技術。通過串行通信實現(xiàn)機器人語言的解釋，開發(fā)了功能完善、友好、靈活的人機交互界面。實驗表明，示教軟件性能穩(wěn)定、實時性好、可操作性強，為搬運機器人示教系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。

示教器；計算機；操作系統(tǒng)；串行通信；人機界面

1 搬運機器人示教概念

搬運機器人示教指操作員在實際工作環(huán)境中，通過操作示教器將要實現(xiàn)的任務命令傳輸至搬運機器人控制器，控制器接收到對應的命令來控制搬運機器人實現(xiàn)指定的位姿，然后在示教器中用機器人語言存儲記錄運動軌跡上各示教點的位姿參數(shù)和動作參數(shù)，最終通過示教器控制程序的運行，實現(xiàn)示教的再現(xiàn)[1-3]。

筆者介紹了上海電氣集團股份有限公司中央研究院自動化技術研發(fā)中心研制的示教系統(tǒng)，該系統(tǒng)以WinCE為操作系統(tǒng)，通過采用模塊化的軟件架構開發(fā)出友好的人機界面，實現(xiàn)了對沃迪四軸搬運機器人進行遠程操作和示教再現(xiàn)的功能。

2 搬運機器人控制系統(tǒng)

沃迪四軸搬運機器人控制系統(tǒng)主要結構如圖1所示，包括示教編程器、控制器（運動控制模塊）、伺服驅動器和伺服電機等，其中，示教器、控制器和驅動器屬于控制系統(tǒng)。用戶通過操作機器人示教器來輸入命令，命令經(jīng)RS485總線傳輸至機器人控制器，進而控制本體完成相應的任務。示教器軟件系統(tǒng)選用WinCE操作系統(tǒng)，所配套的硬件平臺具有良好的穩(wěn)定性和可拓展性。

圖1 多軸運動控制系統(tǒng)結構圖

3 示教軟件功能模塊劃分和設計方案

搬運機器人控制系統(tǒng)的軟件設計采用上下位機的結構，示教編程器為上位機，控制器為下位機，上下位機的軟件功能架構如圖2所示。多軸運動控制器作為機器人控制系統(tǒng)的主設備，運行在實時操作系統(tǒng)環(huán)境中，主要包括機器人語言解析、坐標解算、前看速度規(guī)劃、可編程序控制器（PLC）指令解析和插補控制等功能。示教編程器的主要功能模塊包括人機交互界面模塊、與控制器通信模塊、參數(shù)監(jiān)控模塊等。為了確保安全性，系統(tǒng)參數(shù)采用多級用戶權限管理，并提供參數(shù)的備份與恢復功能。針對搬運機器人碼垛作業(yè)的需求，示教編程器通過宏指令的形式實現(xiàn)對運動參數(shù)的簡化編程，方便編程人員實現(xiàn)復雜的碼垛動作。

圖2 控制系統(tǒng)軟件架構框圖

示教器硬件核心架構采用ARM嵌入式處理器，軟件設計以WinCE為操作系統(tǒng)。為簡化示教編程軟件的設計，便于軟件的再移植，示教器軟件系統(tǒng)不涉及具體的運算與控制功能，主要負責人機交互和顯示。

示教器軟件的運行流程如圖3所示。在開機啟動后，軟件系統(tǒng)進行一系列的參數(shù)初始化工作，解決異常情況后即對機器人各軸進行復位操作，然后進入操作模式選擇界面。為了方便用戶操作，系統(tǒng)分為手動模式、自動模式和示教編程模式。手動模式下，操作者可以選擇運行參數(shù)，并對各軸進行點動操作。自動模式下，在用戶已處理好流程、設定好參數(shù)后，系統(tǒng)快速開機工作，而不需要再次進行多種參數(shù)的設定。示教編程模式下，用戶可以對機器人進行編程，根據(jù)預先設計好的軌跡，將機器人運行軌跡上的位姿用編程語言進行記錄，然后保存，需要時打開程序后系統(tǒng)即可自動運行。

圖3 示教器運行流程

4 示教器與控制器通信的實現(xiàn)

4.1 通信方式

在一般的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中，示教器和控制器之間都需要通過一種通信方式來完成數(shù)據(jù)的傳輸和交互，從而實現(xiàn)相應的操作。工業(yè)領域中常用的通信方式有串行通信、并行通信、通用串行總線（USB）通信、以太網(wǎng)通信等。筆者用串行通信中的RS485總線通信方式，它具有布線簡單、成本低、干擾小、性價比高等優(yōu)點，可以滿足系統(tǒng)中示教器與控制系統(tǒng)的通信要求[4-6]。采用的通信協(xié)議是Modbus RTU，以字節(jié)為單位進行異步信息傳輸。在主站和從站之間傳遞的通信報文的信息幀格式如圖4所示。

圖4 Modbus RTU信息幀格式

功能碼用于區(qū)分數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋?。地址碼用于示教器控制系統(tǒng)的地址映射。數(shù)據(jù)區(qū)表示請求或返回的數(shù)據(jù)。當讀取數(shù)據(jù)時，發(fā)出的功能碼是03H，當寫入數(shù)據(jù)時，發(fā)出的功能碼是10H，可對多個寄存器寫入數(shù)據(jù)[7]。

以下是一個示教器與控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嵗?1 03 05 AA 00 0A E5 21。此例表示示教器查詢從控制器寄存器1451到1460的數(shù)據(jù)，其中，地址碼為0X01,起始寄存器為1451(0X05AA)，讀取10 Byte的數(shù)據(jù)，0XE521為CRC碼。

系統(tǒng)運行時示教器和控制器之間的通信過程如圖5所示。

圖5 示教器與控制器通信過程圖

4.2 程序解釋模塊的實現(xiàn)

程序解釋模塊作為機器人系統(tǒng)的重要組成部分，對機器人語言源碼進行譯碼和數(shù)據(jù)處理，生成運動控制卡能夠識別的對應目標代碼。由于系統(tǒng)中示教器硬件核心是ARM板，其數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力不足以支持程序解釋過程，因此通過與機器人控制器的數(shù)據(jù)交互來實現(xiàn)該功能[8-10]。

示教器的人機交互界面模塊與控制器的譯碼模塊通過接口函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳遞，具體實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 人機界面與譯碼模塊數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)

5 示教軟件界面設計

在設計搬運機器人示教軟件的界面時，以功能齊全和界面清晰、靈活為設計理念。為了確保良好的操作體驗，采用了WinCE操作系統(tǒng)及.NET開發(fā)框架，針對觸控操作進行界面優(yōu)化，方便操作者對機器人進行靈活控制。

5.1 運動控制界面

示教軟件一共包含11個界面，主要包括手動運行、自動運行、示教、PLC監(jiān)控、參數(shù)設置等，其中，手動操作界面如圖7所示，主要功能包括A～E軸（E軸為備選軸，暫不使用）坐標定時刷新顯示、各軸速度控制（高速、中速、低速）、點動操作等。

圖7 手動操作界面

5.2 示教界面

示教功能共有兩種實現(xiàn)方式：在線示教和離線示教。由于離線示教不便于現(xiàn)場操作，且工作量大、精度低，所以系統(tǒng)設計采用在線示教方式。下面介紹在線示教方式的實現(xiàn)過程。

在手動操作界面下，將機器人各軸運行到指定坐標，然后切換到如圖8所示的示教界面。點擊“讀取當前位置”按鈕，即可將此時的機器人位姿記錄到示教界面的當前行，重復上述操作即可將機器人運動軌跡上的各示教點依次記錄下來。通過“保存”按鈕可以將當次編輯的示教程序保存在示教器中，便于以后重復調用。

圖8 示教界面

6 結論

詳細介紹了搬運機器人示教軟件的主要功能和界面設計。軟件采用模塊化的開放式軟件架構系統(tǒng)，具備人機交互、示教再現(xiàn)、參數(shù)管理等功能。具體實驗表明，該示教軟件功能完善、性能良好，很好地滿足了沃迪搬運機器人在工業(yè)現(xiàn)場的應用需求，為機器人示教系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。

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上海電氣智能電子軌道試驗線開通

據(jù)中國上海門戶網(wǎng)站報道，上海電氣智能電子軌道項目臨港試驗線建設項目已正式開工，預計將于2016年年底建成試運行。智能交通自動化解決方案是電氣集團自動化產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展的方向之一。智能電子軌道臨港試驗線位于上海電氣臨港重裝基地，全長4.2 km，是基于道路磁釘傳感技術的新型大容量高效自動化主干道交通運輸系統(tǒng)，可以利用智能裝備手段提升傳統(tǒng)運輸工具能級，增大城市運輸效率。作為國內首條電子軌道試驗線，臨港試驗線建成后的運營效果將直接影響電子軌道交通在上海乃至全國的市場推廣。

A robot teaching software was designed based on WinCE operating system.An introduction was given on the function modules of the teaching software,especially the key technologies for communication by RS485 bus in the serial communication module.A friendly,flexible interactive interface with sound functions could be developed through the interpretation of the robot language via serial communication.Experiments show that the teaching software is stable in real-time performance with sound operability and it can provide an effective solution for the teaching systemin handling robot.

Teaching Pendant；Computor；Operating System；SerialCommunication；HMI

TH122；TP242.2

A

1672-0555（2016）03-005-04

2016年3月

張力(1990—)，男，碩士，工程師，主要從事機器人運動控制工作