王 丹 李耿南 韋翠華

（廣東科技學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083）

直角坐標(biāo)機器人在搬運工作時采用傳統(tǒng)控制方案存在兩個方面的問題。一是采用運動控制卡與工控機的控制方案，該方案對編程能力要求高，編程周期長，且后期維護難度較大，給設(shè)備商造成較大的成本壓力。二是隨著傳統(tǒng)制造企業(yè)向智慧工廠的轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的方案無法滿足工業(yè)場景中對計算資源和數(shù)據(jù)實時性需求[1-2]。為了解決傳統(tǒng)方案存在的問題，近年來，國內(nèi)外研究者進行了諸多研究。在編程門檻問題方面，2014年，F(xiàn)orrester提出一種低代碼開放平臺[3]，無需手工編程或者只需要少量編程即可應(yīng)用的一種模式，以期解決工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)周期長、編程門檻高的難題。用戶采用低代碼語言設(shè)計控制系統(tǒng)時，無需關(guān)注系統(tǒng)底層的基礎(chǔ)架構(gòu)，只需關(guān)注系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，可以極大地提高工作效率[4-5]。根據(jù)Gartner預(yù)測，到2023年超過50%的大中型企業(yè)將使用低代碼作為應(yīng)用程序平臺[6]。在智慧工廠轉(zhuǎn)型方面，2017年，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，提出要持續(xù)推動我國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)供給能力[7]。同年，海爾集團基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)形成了COSMOPlat工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，為用戶提供大規(guī)模定制服務(wù)。在財務(wù)指標(biāo)和非財務(wù)指標(biāo)上，均有明顯的提升[8-9]。2018年，孫曉光等人在鋼板厚度檢測中采用了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[10]。2020年，雷亞飛等人將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運用到油動機系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷研究中，在平臺上開發(fā)了監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，為傳統(tǒng)技術(shù)與信息技術(shù)融合提供了范例[11]。馮金金等人在數(shù)控機床中采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究數(shù)控采集平臺，通過實驗驗證了數(shù)字化平臺的有效性[12]。2022年，蔣敏等人研究了面向航空領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，對其涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，對航空制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展提供了參考與借鑒[13]。綜上，針對直角坐標(biāo)機器人控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制方案存在的問題，本課題采用基于數(shù)字化技術(shù)的方案實現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

直角搬運機器人控制方案采用基于工業(yè)云和低代碼技術(shù)設(shè)計，總體框架主要由設(shè)備端、云平臺端、工業(yè)網(wǎng)關(guān)和人機交互界面4部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

云平臺采用固高科技工業(yè)設(shè)備物聯(lián)云平臺Neptune云平臺。固高云主要有兩種實現(xiàn)模式，第一種是集中設(shè)備、Janus邊緣計算與云平臺組合模式;第二種是離散設(shè)備，Triton通訊組件與云平臺組合模式。根據(jù)本項目的實際需求，采用第二種模式，即離散設(shè)備端安裝Triton通訊組件，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)與云平臺雙向通訊。云平臺端主要實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集、解析，自定義設(shè)備及控制管理設(shè)備的功能，此時自定義設(shè)備為直角坐標(biāo)機器人。設(shè)備端包括直角坐標(biāo)機器人、傳感器和流水線等負(fù)載，設(shè)備端一方面和云平臺端進行雙向通訊，采用Triton協(xié)議，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后與云平臺進行信息交互，即接收云平臺端的控制指令及參數(shù)，將設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給云平臺端，另一方面對伺服電機等執(zhí)行器進行控制。Triton可以通過3種方式將設(shè)備端連接到工業(yè)云端。本次設(shè)計采用GTS與工控機結(jié)合的方式，在上位機中調(diào)用Triton外部庫（C/C++）的方式與Triton通訊。

1.2 系統(tǒng)總體流程

直角坐標(biāo)機器人工作站進行物料搬運工作按照工藝流程分為3個工位。工藝流程為：設(shè)備啟動后，1#工位將物料從起點開始運送；2#工位檢測物料位置到了定位點后將物料固定；3#工位為直角坐標(biāo)機器人，將物料從定位點分別搬運到不同的物料托盤，然后進入下一個循環(huán)。根據(jù)產(chǎn)線和工藝流程分析可知， IO輸入輸出點數(shù)共有個37個，其中數(shù)字量輸入23個，數(shù)字量輸出14個，軸通道數(shù)為4個，伺服電機通道3個，步進電機通道1個。

1.3 系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

1.3.1 技術(shù)路線

采用低代碼和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計直角搬運機器人控制系統(tǒng)，不需要手動編寫代碼，而是通過繪制產(chǎn)線工藝流程圖的方式來實現(xiàn)設(shè)備的控制。技術(shù)路線主要包括3部分：一是設(shè)備端，包括對控制系統(tǒng)軸模塊和IO模塊分別參數(shù)配置；二是云平臺模塊，包括與設(shè)備端的通訊參數(shù)配置，制定參數(shù)表和設(shè)計控制系統(tǒng)流程圖；三是設(shè)計人機交互界面，包括界面設(shè)計和參數(shù)配置。

1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

云計算平臺主要有公有云和私有云兩大類[14]。因本項目需要一定的網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施，且需要保障數(shù)據(jù)的安全與運行穩(wěn)定，因此選用的固高科技工業(yè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)云平臺為私有云方案。

根據(jù)圖2技術(shù)路線圖可知，云平臺端技術(shù)包括3部分，其中第二部分控制系統(tǒng)設(shè)計采用的是云平臺邊緣計算模塊，不需要編寫C語言代碼，只需利用低代碼技術(shù)繪制流程圖即可完成控制系統(tǒng)設(shè)計。

圖2 技術(shù)路線圖

固高云平臺邊緣計算模塊中采用的低代碼技術(shù)是利用圖形化拖拽和參數(shù)配置的方式開發(fā)應(yīng)用程序。開發(fā)步驟主要分3步，分別為新建流程、添加功能塊和推送流程圖。其中添加功能塊為應(yīng)用程序的核心步驟，需要根據(jù)直角搬運機器人工作站工藝流程從節(jié)點組件和功能組件中選擇合適的模塊拖拽至流程編輯界面，并完成模塊連線。其中節(jié)點組件主要負(fù)責(zé)流程圖節(jié)點環(huán)節(jié)，包括開始、判斷、子流程和結(jié)束模塊等。功能塊組件是實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能部分的模塊，主要包括運動、設(shè)置變量、延時和計時等功能，如圖3所示。

圖3 流程圖組件

開始組件是流程開始標(biāo)志，為主流程和子流程必不可少的模塊，判斷模塊是根據(jù)是否滿足條件判斷是否繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟；子模塊是供主流程調(diào)用的流程，將復(fù)雜環(huán)節(jié)封裝成在子模塊里，使主流程邏輯更加清晰，結(jié)束模塊放在流程結(jié)束的標(biāo)志。

運動組件表示單軸點到點運動，點擊模塊可以實現(xiàn)電機速度、位置等參數(shù)設(shè)置。延時模塊可以使工藝流程按照設(shè)定值延時；定時模塊是對某環(huán)節(jié)進行定時，根據(jù)定時時間到達與否判斷是否繼續(xù)后續(xù)流程。

2 控制系統(tǒng)參數(shù)配置

2.1 客戶端參數(shù)配置

客戶端參數(shù)配置包括軸模塊參數(shù)配置和IO 模塊參數(shù)配置，在控制器GTS-800的配置環(huán)境中完成，目的是讓控制器的資源匹配機器人搬運工作站需求。主要包括軸端口信息、脈沖選擇信息、編碼器信息和輸入輸出信息等。

根據(jù)上一節(jié)工藝流程分析得到直角搬運機器人工作站總DI輸入點個數(shù)為23，DO輸出點個數(shù)為14。所有輸入信號，需要配置端口號、高低電平有效、濾波次數(shù)及變量ID。表1為IO輸入模塊配置表部分輸入端口信息。表1中，端口號0-22的IO點表示控制器GTS-800的模塊0的信息。

表1 IO模塊輸入信息配置

2.2 云平臺參數(shù)配置

根據(jù)圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)可知，控制器與云平臺交互主要通過Triton工業(yè)設(shè)備客戶端，Triton直接運行在設(shè)備端，在使用之前需要進行參數(shù)配置。由于GTS-800控制器的操作系統(tǒng)為Windows版本，因此采用Windows版本下Triton的配置方式。

（1）準(zhǔn)備工作：在Neptune云平臺的低代碼柔性控制系統(tǒng)中為機器人搬運工作站創(chuàng)建設(shè)備類型、創(chuàng)建設(shè)備，在設(shè)備信息中記錄該設(shè)備的端口號、序列和令牌；設(shè)置機器人搬運工作站的FTP信息，根據(jù)實際產(chǎn)線的IO地址設(shè)定即可。

（2）配置Triton：打開配置文件options.ini，根據(jù)（1）中準(zhǔn)備工作中得到的參數(shù)，直角搬運機器人設(shè)備的序列號：4A07-4509-8511-AAT46，團隊令牌：D7B0-A1V3-152B-12EU，配置設(shè)備序列號，團隊令牌，本地網(wǎng)絡(luò)。將其錄入配置文件中。配置文件代碼如下：

#triton client config file

#服務(wù)器連接信息

[server]

#設(shè)備在Neptune中的<序列號>

uuid=4A07-4509-8511-AAT46

#Neptune用戶的<團隊令牌>

token=D7B0-A1V3-152B-12EU

#服務(wù)器地址

address=192.168.22.87

#服務(wù)器端口

port=1883

（3）運行Triton：運行Triton客戶端，當(dāng)配置成功， 則顯示已連接，否則會報錯。將控制器重啟，則Triton自動運行。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

由1.3.2可知，控制系統(tǒng)程序設(shè)計的第二步為添加功能塊進行流程圖設(shè)計，需要根據(jù)直角搬運機器人的工藝流程和控制策略進行。根據(jù)項目要求，將直角搬運機器人的軌跡規(guī)劃簡化成二維平面軌跡規(guī)劃，在二維平面軌跡規(guī)劃前提下采用時間最優(yōu)控制策略。即末端執(zhí)行器在搬運物料后先上升一定高度，然后進行軌跡規(guī)劃運動，由平面上的X軸和Y軸帶動物料向目標(biāo)點移動，并滿足時間最優(yōu)的約束條件。如圖4所示，機器人從坐標(biāo)軸原點O點分別向A、B、C、D點搬運物料，OA、OB、OC和OD這4段軌跡，在保證連續(xù)運動的前提下，時間最優(yōu)，如公式（1）所示。

圖4 軌跡示意圖

其中： Ta、Tb、Tc、Td分別表示直角坐標(biāo)機器人搬運物料在4段軌跡OA、OB、OC和OD上來回所需要的時間的集合，設(shè)4段軌跡中速度規(guī)劃各有m中方案，如圖5所示，設(shè)OA段時間方案i用Tai表示，有n條時間段構(gòu)成，則：

圖5 速度規(guī)劃方案示意圖

設(shè)伺服電機最大力矩Fmax，效率 η，負(fù)載慣量Mf，電機和機構(gòu)等效慣量Ms，伺服電機最大加速度amax，則圖5中所有方案的約束條件為：

根據(jù)定義的時間最優(yōu)指標(biāo)和最大加速度的約束條件，完成設(shè)計，如圖6為控制流程圖。

圖6 控制流程圖

由1.2可知，直角搬運機器人工作站分為3個工位，總流程圖如圖7所示，其中1#工位，2#工位，3#工位為子流程，需要分別新建子流程進行設(shè)計。如圖8為1#工位子流程圖，根據(jù)工藝流程可知，設(shè)備啟動，延時1 s，當(dāng)料倉有物料時，推料氣缸推料，當(dāng)物料推出到指定位置，變頻器啟動，流水線運行，物料通過流水線被運送到指定搬運地點，1#工位延時1 s后，推料氣缸退回，子流程結(jié)束。

圖7 控制系統(tǒng)總流程圖

圖8 1#工位子流程圖

在云平臺的視圖應(yīng)用模塊搭建直角搬運機器人系統(tǒng)可視化界面，用以遠(yuǎn)程監(jiān)測控制設(shè)備端的執(zhí)行情況。如圖9為可視化的界面圖。在首頁界面，點擊手自動切換開關(guān)，云平臺通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息給triton客戶端， triton客戶端接收到指令后發(fā)送給控制器，控制器控制機器人實現(xiàn)自動和手動功能切換，從而完成云平臺遠(yuǎn)程控制直角搬運機器人的流程。在軸狀態(tài)和IO監(jiān)控界面，控制器采集硬件設(shè)備信息，通過triton客戶端發(fā)送到云平臺端，從而在云平臺可視化界面顯示，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的流程。

圖9 云平臺可視化界面

4 調(diào)試與驗證

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對控制系統(tǒng)進行上機調(diào)試驗證，針對主要包括兩部分，分別是本地調(diào)試驗證和云端調(diào)試驗證。本地調(diào)試在工控機端調(diào)試，云平臺調(diào)試包括兩部分，可在云平臺邊緣系統(tǒng)模塊對各流程細(xì)節(jié)執(zhí)行情況進行調(diào)試，也可在云平臺視圖應(yīng)用模塊監(jiān)控總體運行狀態(tài)。如圖10為本地調(diào)試界面，如圖11為云平臺邊緣系統(tǒng)3#工位局部流程圖調(diào)試狀態(tài)，圖12為云平臺視圖應(yīng)用可視化監(jiān)控界面。

圖10 本地調(diào)試界面

圖11 3#工位低代碼程序調(diào)試

圖12 云平臺視圖應(yīng)用可視化調(diào)試界面

由圖10界面可知，目前系統(tǒng)狀態(tài)處于手動模塊，主要分為軸通道測試和IO通道測試兩大類。軸通道測試除了保證各軸能獨立正向負(fù)向響應(yīng)控制信號，且能協(xié)作完成回零功能。IO測試主要各傳感器信號是否能正常響應(yīng)。

由圖11可知，3#工位啟動后，將直角坐標(biāo)機器人XYZ軸參數(shù)批量設(shè)置，包括坐標(biāo)系參數(shù)，電機運行參數(shù)等，然后判斷自動模式是否啟動，如果是自動運行，判斷是否滿足約束條件，如果是滿足，延時1 s后，根據(jù)系統(tǒng)的速度范圍啟動運行。此時延時模塊出現(xiàn)錯誤，模塊變?yōu)榧t色，表示延時超時，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)X軸電機限位信號線段落，觸發(fā)了電機自動保護，因此延時超時，經(jīng)過校正后正常運行。

由圖12可知，IO監(jiān)控界面中推料氣缸原點、料倉右檢測信號和真空吸盤信號均顯示綠色，表示被觸發(fā)。經(jīng)檢查實際設(shè)備，推料氣缸，料倉右側(cè)傳感器，真空吸盤實際均處于被觸發(fā)狀態(tài)，其他IO口未被觸發(fā)，因此此時云平臺IO監(jiān)控顯示正確。

5 結(jié)語

直角坐標(biāo)機器人在完成搬運等工作時，采用傳統(tǒng)控制方案，編程門檻較高、后期維護周期長且無法滿足向智慧工廠轉(zhuǎn)型等需求。為解決這些問題，本文采用基于工業(yè)云和低代碼的數(shù)字化技術(shù)對直角搬運機器人進行控制系統(tǒng)設(shè)計。

該系統(tǒng)以固高工業(yè)設(shè)備物聯(lián)云平臺作為云平臺端，主要負(fù)責(zé)設(shè)備實體的數(shù)據(jù)解析、處理、設(shè)備控制系統(tǒng)管理等；以GTS-800作為控制器，通過Triton客戶端與云平臺雙向通訊，即接收云平臺端發(fā)送的控制指令，控制機器人執(zhí)行機構(gòu)，同時又采集機器人信息并上傳至云平臺端等；人機界面采用上位機，主要實現(xiàn)人機交互功能，接收界面參數(shù)、顯示機器人信息等，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)運行可靠。

該系統(tǒng)采用工業(yè)云平臺邊緣計算系統(tǒng)的低代碼編程技術(shù)設(shè)計控制系統(tǒng)應(yīng)用程序，低代碼編程是通過拖拽組件設(shè)計流程圖的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)編寫C指令代碼的方式設(shè)計程序，簡單快捷，將流程圖推送到控制器后，經(jīng)過測試表明可以通過云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，發(fā)布控制指令等，符合企業(yè)向智慧工廠轉(zhuǎn)型需求。