周 兵

（上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，上海201906）

自20世紀(jì)60年代世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人被研制出以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展，尤其是智能機(jī)器人技術(shù)方面，如多傳感器信息的融合、路徑規(guī)劃、機(jī)器人視覺、機(jī)器人線跟蹤、智能人機(jī)接口等［1－2］。

機(jī)器人線跟蹤是機(jī)器人智能技術(shù)當(dāng)中的一種。機(jī)器人線跟蹤即機(jī)器人在一條不停止的傳送帶上隨傳送帶同步運(yùn)動(dòng)工作，其主要工作原理就是在傳送帶上安裝一個(gè)編碼器，傳送帶運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，而編碼器不斷地將脈沖信號(hào)傳輸給機(jī)器人控制器內(nèi)部。在收到外置的一個(gè)傳感器觸發(fā)后，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)將事先編寫好的程序不斷補(bǔ)償上傳送帶運(yùn)動(dòng)方向上的偏差，即形成了機(jī)器人隨傳送帶同步運(yùn)行工作。筆者提出了一種實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器人連接一個(gè)不同信號(hào)類型的增量型編碼器跟蹤傳送帶并在共同區(qū)域工作的方法。

1 增量型編碼器工作原理

增量型編碼器是由一個(gè)中心有軸的光電碼盤（其上有環(huán)形通、暗的刻線）、有光電發(fā)射（發(fā)光元件）和接收器件（光敏元件）組成，可獲得4組信號(hào)組合成A，B，A－，B－，每組信號(hào)相差90°相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360°），將A－與B－信號(hào)反向，疊加在A和B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。由于A和B兩相相差90°，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位［3］。

增量型編碼器主要用于測(cè)速、測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、測(cè)相對(duì)移動(dòng)角度和測(cè)相對(duì)距離。本系統(tǒng)主要使用增量型編碼器測(cè)傳送帶行走相對(duì)距離。增量型編碼器的工作原理由圖1所示。

圖1 增量型編碼器的工作原理

增量型編碼器的信號(hào)種類可以分為：正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN）、推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A，A－；B，B－；Z，Z－），HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口必須要與編碼器對(duì)應(yīng)［4］。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2系統(tǒng)示意圖所示為機(jī)器人夾持噴槍為循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)泡模具進(jìn)行澆注的系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作原理為兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)澆注一個(gè)模具，澆注完成之后模具在傳送帶上進(jìn)行合模，合模的模具經(jīng)過(guò)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)并保持一定的溫度，當(dāng)傳送帶運(yùn)行一段距離之后，涂料在相應(yīng)的模具中發(fā)泡成相應(yīng)的座椅泡沫形狀，模具在傳送帶上進(jìn)行開模，人工將成品取出，空的模具再一次流入到機(jī)器人工作區(qū)域進(jìn)行澆注，如此循環(huán)下去。

圖2 系統(tǒng)示意圖

該傳送帶為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏈?zhǔn)絺魉蛶?，系統(tǒng)要求傳送帶的最大速度可以達(dá)到12m／min，一個(gè)模具的最長(zhǎng)澆注時(shí)間為8.9s，為了節(jié)約工作時(shí)間，設(shè)計(jì)機(jī)器人澆注過(guò)程中傳送帶不停止運(yùn)行，因此，采用機(jī)器人智能技術(shù)跟蹤傳送帶進(jìn)行澆注；另外，某些模具的澆注長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，一臺(tái)機(jī)器人無(wú)法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成跟蹤整個(gè)模具的澆注，故采用兩臺(tái)機(jī)器人并排在一起，各負(fù)責(zé)模具的一半?yún)^(qū)域共同澆注的方式。在運(yùn)行過(guò)程中，要求機(jī)器人澆注的涂料在模具中需均勻分布，傳送帶運(yùn)行過(guò)程中必須要保持勻速、平穩(wěn)，傳送帶的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 模具傳送帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

3 增量型編碼器選擇與安裝

本系統(tǒng)中使用的是FANUC機(jī)器人，在使用線跟蹤功能時(shí)，機(jī)器人控制柜內(nèi)部安裝一塊FANUC編碼器信號(hào)接收卡，該接收卡可接收的編碼器脈沖信號(hào)為TTL（A，A－；B，B－）的＋5V方波信號(hào)，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位的Z脈沖不需要，機(jī)器人接收到的＋5V方波信號(hào)電源必須要由編碼器卡自身提供；FANUC編碼器輸出的脈沖信號(hào)為上述類型，且編碼器電源也由編碼器卡供電［5］。通常在使用FANUC機(jī)器人線跟蹤的情況下，都會(huì)選用FANUC的編碼器。

對(duì)于編碼器的安裝，可以使用的方法是將編碼器安裝在電機(jī)減速器端的電機(jī)軸上或者設(shè)計(jì)一個(gè)從動(dòng)機(jī)構(gòu)。如果使用從動(dòng)機(jī)構(gòu)，該從動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在傳送帶旁邊使該從動(dòng)機(jī)構(gòu)可以隨主傳送帶同步運(yùn)行，而編碼器則安裝在從動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，如圖4所示。

圖4 傳送帶從動(dòng)機(jī)構(gòu)

從動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是安裝方便。如果使用安裝在電機(jī)上的方式，則需要在電機(jī)減速器電機(jī)軸上進(jìn)行改造安裝。

本系統(tǒng)中被跟蹤工作的傳送帶為SEW品牌電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型鏈?zhǔn)絺魉蛶?，傳送帶運(yùn)行過(guò)程中需要?jiǎng)蛩龠\(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器進(jìn)行控制，選用的電機(jī)本體上已經(jīng)安裝的自帶的SEW品牌編碼器可與變頻器連接，編碼器的作用為變頻器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。該編碼器既可作為絕對(duì)式編碼器，也可以作為增量式編碼器，作為增量式編碼器其脈沖信號(hào)輸出類型為7～12V的正弦信號(hào)。

本系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人跟蹤傳送帶的精度要求比較高，而從動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)一次與主傳送帶的傳動(dòng)之后，很難保證從動(dòng)機(jī)構(gòu)與主傳動(dòng)帶運(yùn)行完全一致；另外如果圖4所示的鏈傳動(dòng)，則其中鏈條的間隙等也會(huì)對(duì)精度有一定的影響，所以不采用從動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝編碼器。同時(shí)，電機(jī)上存在編碼器，如果采用電機(jī)上安裝編碼器，需要使用齒輪傳動(dòng)使兩個(gè)編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，改造麻煩且費(fèi)用高；因此，該系統(tǒng)不采用選增FANUC品牌的編碼器，而直接采用電機(jī)上自帶的SEW編碼器供機(jī)器人線跟蹤使用。電機(jī)上編碼器與變頻器如圖5所示。

圖5 電機(jī)上的編碼器與變頻器

4 編碼器與兩臺(tái)機(jī)器人之間的信號(hào)連接

在這里選用了電機(jī)上自帶的SEW品牌編碼器，輸出脈沖信號(hào)為7～12V正弦信號(hào)，該編碼器首先與變頻器上的接收卡連接，再通過(guò)變頻器輸出脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)為TTL的＋5V方波信號(hào)。由于需要分配給兩臺(tái)機(jī)器人使用，所以要先與信號(hào)分配器連接，將信號(hào)一分為二輸出。但是輸出的脈沖信號(hào)是外部電源輸出的TTL＋5V方波信號(hào)，而FANUC機(jī)器人編碼器卡可接收的編碼器脈沖信號(hào)雖然也是TTL＋5V方波信號(hào)，其電源必須需要是機(jī)器人控制器內(nèi)部編碼器卡輸出的＋5V電源。兩者之間的方波信號(hào)存在電壓差，機(jī)器人無(wú)法直接接收到信號(hào)分配器分配的TTL＋5V信號(hào)。因此必須要通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電耦隔離，機(jī)器人才可以接收到該脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的傳輸連接流程如圖6所示。

圖6 編碼器脈沖信號(hào)連接流程圖

4.1 編碼器與變頻器信號(hào)接收卡之間連接

電機(jī)自帶的SEW編碼器常規(guī)用途是用于反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速給變頻器的，本系統(tǒng)在變頻器上選擇HIPEFACE品牌的DEH 11B編碼器卡來(lái)接收編碼器脈沖信號(hào)，該編碼器中含有X 14和X 15的接口，其中X 15作為編碼器脈沖信號(hào)輸入口，而X 14可以作為增量型編碼器信號(hào)輸出口。編碼器與接收口X15的信號(hào)連接圖如圖7所示［6］。

連接好之后，變頻器即可以通過(guò)接收到的脈沖信號(hào)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖7 編碼器與接收卡之間的連接圖

4.2 信號(hào)分配器與信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器以及機(jī)器人之間的信號(hào)連接

本系統(tǒng)有兩臺(tái)機(jī)器人共同作業(yè)，需要通過(guò)一個(gè)信號(hào)分配器將脈沖信號(hào)分配給兩臺(tái)機(jī)器人，在這里選擇一個(gè)IT10模塊的信號(hào)分配器，該信號(hào)分配器還可以設(shè)置分配脈沖的比例，分配器比例是通過(guò)12位的二進(jìn)制開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)的，所以其可以調(diào)節(jié)的比例范圍為1∶1到1∶409 6，比例如果越小，脈沖信號(hào)概括的程度越大，則跟蹤的精度越低。這里因精度要求比較高，選擇1∶1的比例。

從分配器的脈沖信號(hào)，其信號(hào)電源不是機(jī)器人控制器編碼器卡提供的電源，需要通過(guò)兩個(gè)PU210的信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器模塊進(jìn)行信號(hào)的輸入輸出光藕隔離。PU210模塊的作用很多，其中一個(gè)作用可以在輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間進(jìn)行光藕隔離。

本系統(tǒng)的應(yīng)用即是利用其信號(hào)光藕隔離作用。信號(hào)分配器與信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離器以及機(jī)器人之間的信號(hào)連接圖如圖8所示。

圖8 信號(hào)分配器與信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器以及與機(jī)器人連接

5 兩臺(tái)機(jī)器人共同區(qū)域工作

由圖9所示的兩臺(tái)機(jī)器人共同區(qū)域工作可見，本系統(tǒng)中兩臺(tái)機(jī)器人是并排緊挨在傳送帶一側(cè)區(qū)域工作的，在共同的模具上澆注會(huì)存在共同作業(yè)的區(qū)域。在工作當(dāng)中，機(jī)器人跟蹤傳送帶工作，如果兩臺(tái)機(jī)器人跟蹤節(jié)奏不一致，就有發(fā)生碰撞的可能性。例如，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)機(jī)器人還在跟蹤工作，而第二臺(tái)已經(jīng)完成工作，如果此時(shí)第二臺(tái)回歸原位而第一臺(tái)還在繼續(xù)跟蹤作業(yè)則會(huì)造成兩臺(tái)機(jī)器人之間碰撞，由于澆注中的涂料在沒有混合澆注時(shí)有劇毒，如果機(jī)器人碰撞之后撞壞噴頭上面的涂料管線而導(dǎo)致涂料飛濺，則會(huì)有可能對(duì)周圍的工作人員造成很大危害。因此，必須要解決有可能造成兩臺(tái)機(jī)器人之間碰撞的問題。

圖9 兩臺(tái)機(jī)器人并排共同區(qū)域工作

為了解決這個(gè)問題，采用一種機(jī)器人信號(hào)互鎖的方式使得機(jī)器人在跟蹤和結(jié)束跟蹤時(shí)保持一致，即兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)出去跟蹤，當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人完成動(dòng)作之后，依舊繼續(xù)跟蹤，直到另外一臺(tái)也完成工作，兩臺(tái)再同時(shí)結(jié)束跟蹤，同時(shí)回歸原位就可以避免碰撞。機(jī)器人間信號(hào)互鎖如圖10所示。

圖10 機(jī)器人間信號(hào)互鎖

假如機(jī)器人2先完成工作，則發(fā)信號(hào)1給機(jī)器人1，機(jī)器人1接收到信號(hào)1，但機(jī)器人1還必須要繼續(xù)工作（暫時(shí)不回應(yīng)機(jī)器人2的信號(hào)），機(jī)器人2未回收到機(jī)器人1的信號(hào)則必須繼續(xù)跟蹤，當(dāng)機(jī)器人1完成工作之后，機(jī)器人1將回應(yīng)信號(hào)1發(fā)送機(jī)器人1，機(jī)器人1接收到信號(hào)1之后，機(jī)器人1發(fā)送信號(hào)2給機(jī)器人2確認(rèn)，機(jī)器人2接收到確認(rèn)信號(hào)2后立刻發(fā)送信號(hào)2給機(jī)器人1確認(rèn)回原位并立即回原位，機(jī)器人1接收到確認(rèn)回復(fù)信號(hào)2后也立即回原位，這樣兩臺(tái)機(jī)器人就會(huì)同時(shí)停止跟蹤回到原位。同時(shí)跟蹤的原理與上面相同。

通過(guò)以上機(jī)器人之間的信號(hào)互鎖確認(rèn)工作，兩臺(tái)機(jī)器人無(wú)需增加其他硬件設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)跟蹤，同時(shí)結(jié)束跟蹤回原位的功能，也即避免了機(jī)器人之間碰撞的可能性。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著機(jī)器人智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人線跟蹤技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在電機(jī)上已經(jīng)存在反饋電機(jī)速度的編碼器的情況下，提出了一種通過(guò)編碼器與變頻器再與信號(hào)分配器將信號(hào)轉(zhuǎn)換和分配給兩臺(tái)機(jī)器人的方法，該方法與傳統(tǒng)的線跟蹤編碼器使用方法相比，存在不同：

（1）采用非機(jī)器人接收卡接收信號(hào)類型相同的編碼器，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離措施，將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮湛ń邮疹愋偷男盘?hào)；

（2）一個(gè)編碼器信號(hào)通過(guò)信號(hào)分配器同時(shí)將信號(hào)分配給兩臺(tái)機(jī)器人使用。

通過(guò)上述技術(shù)的應(yīng)用，在存在其他功用編碼器的情況下，可以大大地減少系統(tǒng)的硬件成本及可能造成的精度風(fēng)險(xiǎn)，為機(jī)器人線跟蹤技術(shù)提出一種技術(shù)參考。

機(jī)器人信號(hào)互鎖的方法解決了兩臺(tái)機(jī)器人在共同區(qū)域跟蹤工作可能造成的碰撞問題，為多臺(tái)機(jī)器人線跟蹤碰撞問題提供一種解決方案。上述系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某汽車座椅發(fā)泡線上應(yīng)用之后，其精度以及穩(wěn)定性都得到了實(shí)踐的驗(yàn)證，表明該系統(tǒng)使用的可行性，為機(jī)器人在線跟蹤智能技術(shù)方面的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的案例。

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［2］蒙慶春，齊 勇，張淑軍，等.智能機(jī)器人及其發(fā)展［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（5）：831－838.

［3］王 鵬.編碼器的原理特性及應(yīng)用［J］.重工與起重技術(shù)，2011，31：20－22.

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