俞雷挺

(上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023)

工業(yè)機器人在大型展館中的運用

俞雷挺

(上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023)

通過介紹工業(yè)機器人在上海科技館機器人劇場的實際應用，以案例中核心表演項目茉莉花群舞為例，詳細闡述了系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)的組成、以及系統(tǒng)群控的實現(xiàn)方法，很好地利用了工業(yè)機器人的精準性、及時性，將高速PLC作為核心協(xié)同調(diào)配多臺機器人進行群舞表演，實踐證明系統(tǒng)舞臺表現(xiàn)力強，性能可靠穩(wěn)定，維護方便。

工業(yè)機器人；PNS；時序圖；集成控制；現(xiàn)場總線

Abstract: Based on the introduction of practical application of industrial robots in the robot theater of Shanghai Science & Technology Museum, taking core performance jasmine group dance as example, this paper elaborates the basic principle, system composition and group control method of the system, which makes good use of the accuracy and timeliness of industrial robots to perform a multi-robot group dance, using high- speed PLC as core. Practice proves that the system has a strong expressive force and reliable performance and is easy to maintain.

Keywords: industrial robot;PNS;timing diagram; integrated control; field bus

0 引 言

機器人劇場是上?？萍拣^展項類中的重點，是整個展館的重中之重，利用多媒體手段展示了至今沒有嘗試過的、具有深邃科學內(nèi)容和先進技術的、全部由機器人表演的節(jié)目，從開始醞釀、創(chuàng)意概念的產(chǎn)生到策劃設計，是一次新型多媒體產(chǎn)業(yè)的突破。機器人劇場展項工程是一項多媒體的大系統(tǒng)工程—媒體工程，整個展項其實就是一個多媒體表演，整個內(nèi)容策劃設計表現(xiàn)了深邃的現(xiàn)代科學理念和高新技術的應用。它實現(xiàn)了機電一體化控制集成技術的突破并產(chǎn)生了強烈的沖擊效果，在國內(nèi)大型媒體工程展示項目的集成控制手段上，首次通過集散式控制手段，完成了對工業(yè)機器人、燈光設備、音響設備、投影拼接及播放設備等以及它們的控制系統(tǒng)進行了全方位的集成，探求出了一條集成系統(tǒng)接口開發(fā)技術。實現(xiàn)了把人性化的舞蹈動作改變成機器人可以接受的控制機器碼，并可以優(yōu)美地仿真人的舞蹈動作，實現(xiàn)了二次再創(chuàng)作，達到了不同程度真實感的仿真視覺沖擊，舞臺效果如圖1所示。

圖1 機器人群舞表演圖

1 機器人群舞系統(tǒng)結構

機器人劇場主要設備由兩臺5公斤的小機器人和六臺6公斤的機器人組成，小機器人充當報幕員的角色，而六臺大機器人充當群舞的主要角色，通過改變這八臺機器人的道具組合出不通風格的節(jié)目，如茉莉花、京劇三岔口、爵士舞等，除了八臺機器人外還有PLC系統(tǒng)、舞臺追光燈、舞臺PAR燈、舞臺調(diào)音臺以及監(jiān)控觸摸屏等設備，舞臺追光燈和舞臺PAR燈用以烘托劇場氣氛，監(jiān)控觸摸屏位于主控室用于操作人員啟動節(jié)目，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線將所有設備連接起來。PLC系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的樞紐，通過對以上設備的協(xié)調(diào)控制達到機器人跳舞高度擬人逼真的表演效果[1]23-31。系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 機器人劇場系統(tǒng)結構圖

2 機器人群舞系統(tǒng)集成實現(xiàn)

圖3 主要實現(xiàn)流程圖

為達到機器人群舞的目的，首先由主控PLC完成節(jié)目進程的推進功能，不斷將結束碼和當前狀態(tài)字進行比對[2]74-76，一旦兩者相同就結束當前進程進入下一個進程，并發(fā)送相應的通訊碼以激活機器人群當前PNS程序，以此類推直到完成整個表演節(jié)目，主要實現(xiàn)流程圖如圖3所示。其次每個進程必須嚴格按照預先制定好的時序圖進行運作，如圖4所示。以茉莉花群舞中部分舞蹈段為例共5個時序段，通過編碼方式實現(xiàn)當前時序段各機器人的舞蹈動作，從而實現(xiàn)機器人與設備之間的精準配合達到機器人群舞的擬人化效果。

2.1 編碼組成

每個時序段都由結束碼和通訊碼組成，由于要表達大于八臺設備的狀態(tài)信息，因此每種碼由雙字組成，以16進制的形式儲存于PLC的DB數(shù)據(jù)庫中[3]43，PLC將數(shù)據(jù)庫中的結束碼和實時狀態(tài)進行比對，一旦比對成功就將啟動下一個進程的激活碼(通訊碼)，以達到機器人群舞的目的。

2.2 通訊碼介紹

通訊碼用來激活在當前時段中需要激活的程序段。如果通訊碼是1則表示要啟動該PNS程序，需要注意的是如果PNS還未執(zhí)行完則通訊碼是0而不是1，避免重復啟動相同的PNS程序。

2.3 結束碼介紹

結束碼代表當前進程的結束狀態(tài)碼，結束狀態(tài)碼分兩種情況，一種是PSN程序自然執(zhí)行完畢，此時機器人會返回一個信號給PLC，另一種是當一段PNS程序并未執(zhí)行完成而又需要去調(diào)用其他的機器人來一起協(xié)調(diào)完成某個舞蹈動作，此時機器人到點會發(fā)出一個“DO[]”信號通知PLC，該信號是在TP示教盤中插入到PNS程序段中的，時序圖中的“X”即是“DO[]”信號，如圖4所示。

圖4 機器人劇場茉莉花群舞時序圖

3 機器人群舞系統(tǒng)通訊介紹

由于機器人的互動對時間的要求極高，為保證表演節(jié)目的觀賞性，機器人之間的動作執(zhí)行必須保證在幾十毫秒之內(nèi)被執(zhí)行，通過對現(xiàn)場反復測試選用PROFIBUS現(xiàn)場總線作為機器人通訊主干線，其他不支持該通訊協(xié)議的設備通過DP-Link模塊將RS232轉換成PROFIBUS協(xié)議[4]51-55。

為保證通訊的實時性DP-Link模塊的波特率必須設置成：1.5M，奇偶校驗：所有設備的校驗位保持一致即可。由于設備的輸入輸出通訊命令只需一個字即可，所以Input和Output緩沖區(qū)只要選擇2個byte，如圖5所示。

圖5 DP-Link模塊緩沖區(qū)配置圖

4 工業(yè)機器人系統(tǒng)介紹

4.1 機器人硬件組態(tài)

在PLC的相關界面加載機器人文件FANUC.GSD，并拖入到PROFIBUS總線上成為該總線上的節(jié)點，這樣就可以對它進行硬件組態(tài)了，為它分配合適的站號，設置輸入緩沖區(qū)設為10個Byte，而輸出緩沖區(qū)設為8個Byte[5]47-51。

4.2 機器人軟件調(diào)用

在機器人上電自檢之后，如正常將會發(fā)出一個CMDENBL使能信號告訴PLC機器人已經(jīng)處于待命狀態(tài)可以接受命令了，PLC將該機器人的分段舞蹈動作程序號以PNS方式進行編碼，PNS1到PNS8可以組成0到255共256個程序編號，即一臺機器人最多可以執(zhí)行256個舞蹈動作，同時PLC發(fā)送PNSTROBE信號，該信號可以使PNS信號處于可使用狀態(tài)，30毫秒之后機器人進入到處理PNS程序號的階段，然后機器人返回給PLC一個SN0信號，與PNS信號一樣，SN01到SN08也組合成了256種組合，返回給PLC相對應的PNS編號，PLC端可以將發(fā)送的PNS號和返回的SNO號進行比對，以判斷機器人當前被調(diào)用的PNS程序段是否正確，在機器人確定PNS信號無誤之后，發(fā)出應答信號SNACK告知PLC該信號已經(jīng)被正確接受，至此信號握手階段結束，PLC端就可以正式調(diào)用機器人的PNS舞蹈動作程序了，此時往機器人發(fā)送一個PROD_START信號以正式啟動該段舞蹈程序，值得注意的是該信號需要以脈沖的形式發(fā)送，因為機器人接受的是該信號的上升沿，這樣才可以調(diào)用下一次PNS信號，在32毫秒之內(nèi)機器人會發(fā)往PLC一個PROGRUN信號，告訴PLC當前的PNS信號正在被調(diào)用，這樣PLC端可以時刻監(jiān)控機器人是否在調(diào)用正確的舞蹈動作，以及調(diào)用每一段PNS程序時所有的狀態(tài)，圖6為PNS調(diào)用時序圖[6]43-45。

圖6 PNS調(diào)用時序圖

4.3 使用機器人示教盤編程

機器人的動作編排，需要在機器人專用的編程器-TP示教盤上進行，由于是使用了工業(yè)機器人來完成高難度的人性化舞蹈動作，因此對機器人的軟件、硬件要非常熟悉，工業(yè)機器人原本是用來完成搬運、噴涂、電焊等相對簡單的動作，走的多數(shù)是直線或者略帶弧線的直線，比如要完成一個簡單的畫圓動作需要分割成幾個圓弧拼接起來完成一個圓，而且效果上看它并不是在畫圓而是在畫弧形，且每畫完一個弧形都有一個停頓動作。在本案例中，盡量避免畫圓動作，在編排非重復性舞蹈動作時采用TP示教盤編程[6]32-36。

4.4 位置寄存器的使用

在擬人的舞蹈動作中，有大量的重復而對稱性的動作，比如在茉莉花舞劇中，2臺撥浪鼓小機器人的開場白就有左右搖頭、上下點頭的動作，為了動作完全對稱就應該使用位置寄存器來寄存機器人的動作，先使用示教模式將動作記錄下來，待調(diào)試效果滿意后再使用寄存器模式，首先要讓位置寄存器寄入機器人的位置點，在示教完動作后，進入位置寄存器的畫面，按“Shift+Record”記入當前示教的點，采用PR[]，使之反復執(zhí)行某一段動作。在本案例中，重復對稱的舞蹈都使用該編程方法，從而達到非常滿意的效果。

4.5 OVERRIDE的使用

在整個機器人集體舞蹈節(jié)目過程當中，除了系統(tǒng)集成上的難點之外，還有另外一個問題就是機器人的舞蹈節(jié)奏，由于工業(yè)機器人的局限性，制作出來的效果往往是不理想的，有時是動作編排的美觀性有問題，有時是動作的時效性問題，最多的是和舞臺節(jié)目的音樂節(jié)奏、追光燈匹配不上，有的節(jié)目需要舒緩流暢的節(jié)奏，有的劇目需要驚險刺激的效果，為了解決這個問題，應從兩個方面來解決，既要靠不斷摸索積累經(jīng)驗，也要合理地使用OVERRIDE的功能。它的主要功能是為一段程序段設置四種速度，在實際使用中，可以按照舞臺音樂、追光燈以一定的速度編好一段舞蹈動作，以此為基礎可以調(diào)整速度，這樣再加上經(jīng)驗大致就和音樂接拍了。OVERRIDE是在示教盤TP上設置的，它共有2個信號位，共四種速度百分比組合。在本案例中，通過該方法為每套節(jié)目分配不同的速率以滿足不同的節(jié)目舞蹈風格達到了良好的效果。

5 結束語

本文給出了基于工業(yè)機器人如何實現(xiàn)在大型展覽館的擬人化表演的具體實現(xiàn)方法，該方法已經(jīng)實際運用于上海展覽館機器人項目中，實踐證明利用高速PLC的實時性結合工業(yè)機器人的精準性，配合舞臺燈光音響，可以流暢、完美地讓工業(yè)機器人表演大型舞蹈類節(jié)目，對眾多的工業(yè)機器人運用提供了一條嶄新的指導思路。

[1] 王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[2] 錢曉龍.Control Logix系統(tǒng)電力行業(yè)自動化應用培訓系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[3] 向曉漢.西門子PLC S7-200/300/400/1200應用案例精講[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

[4] 雷思孝.計算機數(shù)據(jù)通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[5] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[6] 上海發(fā)那科機器人有限公司.機器人培訓教材[M].上海: 上海發(fā)那科機器人有限公司,2014.

Application of Industrial Robots in Large Exhibition Halls

Yu Leiting

(Shanghai Electrical Automation R&D Institute Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.031

TP272/273

A

1000-3886(2017)03-0103-03

定稿日期: 2017-01-03

本項研究工作得到了上海市科學技術委員會的資助，資助課題(編號：12DZ225900)

俞雷挺(1966-)，男，上海人 ，工程師，專業(yè)：自動化控制。