趙俊英 李云龍 邵 欣 胡成琳 鄧 玖

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

工業(yè)機(jī)器人在焊接、裝配、分揀和涂膠等制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相關(guān)應(yīng)用和人才需求迅速增加[1?2]。機(jī)器人二次開發(fā)和出廠檢測(cè)的時(shí)候，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已有的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)大多采用工業(yè)機(jī)器人真機(jī)或仿真系統(tǒng)[3]。這些載體存在以下弊端：一是價(jià)格較為昂貴，實(shí)驗(yàn)資源有限，且試錯(cuò)的成本較高[4]；二是不能實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步，仿真與實(shí)物往往互相獨(dú)立，缺少虛擬資源與真實(shí)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，不能發(fā)揮出虛擬資源的真正優(yōu)勢(shì)；三是結(jié)構(gòu)封閉，機(jī)器人公司所配備的機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)大多是封閉式結(jié)構(gòu)，并且各個(gè)品牌間沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5]，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可視性差，并加大了設(shè)備的維護(hù)、升級(jí)改造的難度與成本。另一方面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的運(yùn)算和建模計(jì)算工作量繁重[6]。針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)引入數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的機(jī)器人平臺(tái)，可降低二次開發(fā)應(yīng)用的成本、節(jié)約時(shí)間。

利用該平臺(tái)，可以進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系標(biāo)定、工業(yè)機(jī)器人本體控制及與周邊設(shè)備的協(xié)同控制等，還可以開展機(jī)器人正逆解研究及其他類型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)配置等實(shí)驗(yàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論[7]，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的機(jī)器人平臺(tái)系統(tǒng)，包括物理對(duì)象、虛擬模型、連接、數(shù)據(jù)和服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。工業(yè)機(jī)器人的核心是控制系統(tǒng)，而控制的關(guān)鍵對(duì)象是多伺服電機(jī)的協(xié)同動(dòng)作；另外工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)存在封閉性高、技術(shù)升級(jí)困難等弊端[5],設(shè)計(jì)開放性的控制系統(tǒng)對(duì)于二次開發(fā)具有十分重要的作用。針對(duì)以上問(wèn)題，平臺(tái)采取開放式的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸及控制系統(tǒng)直接展現(xiàn)出來(lái)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

1.1 結(jié)構(gòu)組成與通信

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體硬件架構(gòu)由機(jī)器人控制柜、PLC與觸摸屏和計(jì)算機(jī)三大部分組成，其主要作用分別為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能、構(gòu)建孿生數(shù)據(jù)庫(kù)及搭建虛擬模型。三部分硬件實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，如圖2所示。平臺(tái)硬件系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)元件（即6個(gè)伺服電機(jī)）、伺服控制器、機(jī)器人控制器、機(jī)器人示教器、擴(kuò)展板、交換機(jī)、開關(guān)電源、按鈕、指示燈、PLC和觸摸屏等。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及實(shí)物圖

整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行連接。首先介紹控制柜，6個(gè)電機(jī)的伺服控制器通過(guò)X8 IN端口與機(jī)器人控制器端口2連接，又通過(guò)X9 OUT與擴(kuò)展I/O板的IN口相連，均采用EtherCAT通信。擴(kuò)展I/O板的OUT口與擴(kuò)展模塊相連。機(jī)器人控制器端口1，經(jīng)控制柜總接口連接到交換機(jī)端口1；PLC連接到交換機(jī)端口4，通信協(xié)議為Modbus TCP，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器與PLC的通信。除上述連接外，PLC與HMI采用Profinet通信協(xié)議；PLC與計(jì)算機(jī)中仿真軟件采用OPC UA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，OPC UA是實(shí)現(xiàn)設(shè)備層數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件的關(guān)鍵。另外，機(jī)器人示教器通過(guò)航空插頭連接到控制柜。

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及實(shí)物圖如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程

整體上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是通過(guò)在真實(shí)的示教器中操作、編程，使實(shí)體工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與虛擬機(jī)器人聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與仿真模型虛實(shí)同步。圖3為平臺(tái)對(duì)J2（第二關(guān)節(jié)）的控制流程。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程

（1）在運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)示教器發(fā)出控制指令，經(jīng)機(jī)器人控制器轉(zhuǎn)換后傳遞給伺服控制器，進(jìn)而通過(guò)脈沖輸出控制電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，機(jī)器人控制器發(fā)出的控制信息，經(jīng)控制柜總接口1傳遞至PLC，并在PLC數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存、處理，而后被仿真系統(tǒng)采集，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。至此虛擬機(jī)器人與物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步。如圖3所示。

（2）在初始狀態(tài)下，虛擬模型則通過(guò)上述流程讀取物理實(shí)體的參數(shù)值并執(zhí)行，使虛擬模型狀態(tài)與物理實(shí)體保持一致。

2 數(shù)字孿生模型的構(gòu)建

基于數(shù)字孿生理念，本文在虛擬系統(tǒng)中構(gòu)建了實(shí)際物理系統(tǒng)的數(shù)字映像，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)間的數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)同步等，為物理實(shí)體的狀態(tài)監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)控制等擴(kuò)展了新的能力。構(gòu)建數(shù)字孿生模型時(shí)，先在SolidWorks軟件中創(chuàng)建CAD模型，經(jīng)兼容性處理后導(dǎo)入Tecnomatix仿真環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中設(shè)置虛擬模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、虛實(shí)控制映射關(guān)系等。通過(guò)西門子S7-1500PLC實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與物理實(shí)體間數(shù)據(jù)收發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)行結(jié)果可視化等功能。虛擬模型如圖4所示。

圖4 Tecnomatix數(shù)字仿真系統(tǒng)及某一虛擬模型

2.1 仿真模型的運(yùn)動(dòng)控制

工業(yè)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)控制分為兩類，它們是PTP（點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)）和CP（連續(xù)軌跡）的運(yùn)動(dòng)控制[8]。為了對(duì)虛擬機(jī)器人實(shí)現(xiàn)這兩種控制，機(jī)器人控制器需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，使其轉(zhuǎn)換成能夠正確驅(qū)動(dòng)仿真模型的數(shù)據(jù)。

（1）PTP運(yùn)動(dòng)控制。在進(jìn)行PTP運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要通過(guò)關(guān)節(jié)角參數(shù)值，計(jì)算得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，也就是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的正向求解。

本文選用D-H矩陣來(lái)進(jìn)行求解,通過(guò)建立各關(guān)節(jié)所代表的坐標(biāo)系矩陣并計(jì)算乘積，求出虛擬手抓在虛擬機(jī)器人系統(tǒng)的基坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣。依照式（1）求出虛擬機(jī)器人各關(guān)節(jié)組成部位之間的變換矩陣，從而求出手抓的坐標(biāo)姿態(tài)。

式中：αi為關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角，ai為連桿長(zhǎng)度，θi為關(guān)節(jié)角，di為連桿偏移量。

通過(guò)計(jì)算各部位的矩陣乘積即可得出虛擬手抓在虛擬機(jī)器人系統(tǒng)的基坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣0T6

（2）CP連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)虛擬機(jī)器人執(zhí)行此類運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行逆向求解。即已知末端執(zhí)行器的位姿0T6求解出各個(gè)關(guān)節(jié)角的角度值θi。求解時(shí)，聯(lián)立式（1）、（2），并利用矩陣求逆，可得到

求得

式中：ci表示cosθi，si表示sinθi。

2.2 數(shù)據(jù)的采集與交互

數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的虛實(shí)融合需要高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交互作為物質(zhì)載體[9]。本文主要涉及真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的采集與傳遞，以及數(shù)字孿生體對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)讀取與監(jiān)控。在這種雙向性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息交互下，一方面機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)等物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)，將以可視化的形式反映在其數(shù)字孿生體上，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；另一方面，其數(shù)字孿生體對(duì)得到的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等進(jìn)行分析，可以反向影響、控制物理機(jī)器人本體。數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示，圖6展示了某一組數(shù)據(jù)在PLC中存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換的程序段。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖6 在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理

3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的控制，以及與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制[10?11]。從這個(gè)角度出發(fā)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行虛實(shí)同步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人本體控制及與周邊設(shè)備的協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)。

3.1 虛實(shí)同步性能驗(yàn)證

針對(duì)平臺(tái)的虛實(shí)同步性能進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。某次實(shí)驗(yàn)中，J2初始值為?0.12，通過(guò)示教器使J2的角度值增加至0.15，理論上，電機(jī)實(shí)物與仿真機(jī)器人的第二關(guān)節(jié)都應(yīng)向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.27°，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得到表1所示數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該平臺(tái)虛實(shí)同步性能可靠。

圖7 虛實(shí)同步性能實(shí)驗(yàn)

表1 虛實(shí)同步性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，不同的使用環(huán)境，要求工具的位姿具有不同的特點(diǎn)。因此，快速實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系的創(chuàng)建與標(biāo)定，是工業(yè)機(jī)器人調(diào)試的重要環(huán)節(jié)。圖8是采用7點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行工具坐標(biāo)系標(biāo)定時(shí)的場(chǎng)景，依此方法在示教器中完成7個(gè)點(diǎn)位標(biāo)定后，即完成了該工具坐標(biāo)系標(biāo)定。

圖8 采用7點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行工具坐標(biāo)系標(biāo)定

基于前文“2.2 數(shù)據(jù)的采集與交互”中所述數(shù)據(jù)計(jì)算方法，在示教器輸出運(yùn)動(dòng)控制信息后，Tecnomatix軟件中的虛擬模型收到已解析的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可視化模塊，使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度、速度等參量值在虛擬界面動(dòng)態(tài)顯示，如圖9所示。

圖9 Tecnomatix軟件顯示的部分解析數(shù)據(jù)

3.3 機(jī)器人軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)

采用上述工具坐標(biāo)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行單軸運(yùn)動(dòng)和多軸運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，使虛擬機(jī)器人完成焊接任務(wù),虛擬機(jī)器人的焊接運(yùn)動(dòng)控制軌跡如表2所示。

表2 軌跡運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

圖10所示為機(jī)器人速度與加速度曲線，觀察可知機(jī)器人速度和加速度的初始值和終止值均為 0，曲線平緩光滑，無(wú)突變、跳躍和間斷，說(shuō)明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)表明，該平臺(tái)能夠更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡控制，同時(shí)也驗(yàn)證了平臺(tái)中虛擬機(jī)器人的工具坐標(biāo)系創(chuàng)建和標(biāo)定準(zhǔn)確可靠。

圖10 機(jī)器人速度與加速度曲線

3.4 工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)同控制

通過(guò)搬運(yùn)碼垛任務(wù)驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)同控制。

機(jī)器人系統(tǒng)需對(duì)指定數(shù)量的工件進(jìn)行搬運(yùn)，以紅、綠、黃等不同顏色的指示燈指示工作狀態(tài)。完成搬運(yùn)時(shí)，虛擬機(jī)器人發(fā)出“碼垛完成”的信號(hào)，經(jīng)PLC傳遞給機(jī)器人控制器實(shí)體；控制器經(jīng)過(guò)程序判斷，發(fā)出紅燈常量控制指令；該指令通過(guò)PLC同時(shí)傳遞給紅燈實(shí)物和虛擬機(jī)器人，以I/O控制的方式點(diǎn)亮實(shí)物紅燈，同時(shí)以開關(guān)量信號(hào)點(diǎn)亮虛擬模型中的紅燈，如圖11所示。實(shí)驗(yàn)表明，平臺(tái)中可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)同控制。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)已有的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)載體存在的弊端，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生的工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)。設(shè)計(jì)并搭建了開放式的硬件平臺(tái)，建立了數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)同步。與已有的單一仿真系統(tǒng)相比，該平臺(tái)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬資源與真實(shí)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多種工作環(huán)境的快速、個(gè)性化創(chuàng)設(shè)，以更快的速度、更低的成本，驗(yàn)證機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性與應(yīng)用效果；該平臺(tái)還可以對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、反饋。另外，開放式的設(shè)計(jì)提升了可視化效果，也使得設(shè)備便于維護(hù)、升級(jí)和改造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)虛實(shí)同步性能可靠，能準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系標(biāo)定、工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)控制及與周邊設(shè)備的協(xié)同控制。

目前該系統(tǒng)已在天津某公司投入應(yīng)用，為二次開發(fā)、技術(shù)研發(fā)、員工培訓(xùn)使用，實(shí)際使用效果表明該平臺(tái)降低了二次開發(fā)應(yīng)用的成本、節(jié)約了時(shí)間。