一种多工业机器人的协同控制方法与流程

本发明涉及一种多工业机器人的协同控制方法。

背景技术：

传统制造业正在面临着产业升级和智能化改造，而工业机器人正是智能化改造中的一个重要环节。面对越来越复杂的生产工序和工厂线更新周期缩短等系列问题，当前制造业迫切地需要一种标准、快速、简单的机器人编程与控制方法。同时，机器人也需要由以前独立工作的个体，逐步变成相互协调合作，能够实现网络化控制的整体系统。

目前现有的多工业机器人的协同控制存在几个主要的问题：一是普遍采用相同型号的工业机器人，对于异构工业机器人的协同控制研究得很少；二是不同的机器人制造厂商生产的机器人通常采用不同的机器编程语言与软件工具，其系统较为封闭，不同的机器人之间的互通性差，而且对于异构工业机器人的协同控制通常都是事先经过离线编程再将控制指令传输给机器人的控制器，基本上无法支持多机器人协同控制算法的在线编程；三是目前多机器人的集成方法不够简单，现有研究中大部分采用的是对机器人原有的控制器进行改造，而且改造方式复杂、改造后的系统扩展性差。因此，目前工业生产系统中异构机器人之间或机器人与其他控制设备之间的协同控制设计、开发及应用的成本很高，技术难度也很大。

目前在多机器人协同控制方面，文献【陈圣国, 刘治, 梁少芳,等. 喷涂机器人自主编程综合平台的设计[J]. 工业控制计算机, 2010, 23(6):45-46.】提出采用更换控制器的方式，对PUMA机器人进行控制器改造：采用PMAC此种具有开放式结构的控制器取代原有控制器，实现了网络化操作，其对机器人的编程方法采用的是库函数，这种方法涉及到对控制器的改造，改造过程较为复杂。在不改造控制器的情况下，文献【江文辉. 基于Internet的多机器人协调控制方法研究[D]. 华南理工大学, 2012.】提出基于“计算机+机器人”的控制方式，采用网络控制机器人，但是计算机与机器人的通信往往只是针对简单的开关量，例如启动/停止机器人等信号，并不具备足够的灵活性，计算机并不负责机器人运动学的求解，轨迹规划等运算，并且机器人的能控程度也很有限，机器人的协调控制也需要控制系统具备足够的信息交换能力。文献【欧阳帆. 双机器人协调运动方法的研究[D]. 华南理工大学, 2013.】和文献【于广东. 双工业机器人协调技术的研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2014.】两篇文章中双机器人协调系统采用的是一台工控机连接两台工业机器人，工控机负责进行轨迹规划，机器人原有控制器则负责执行工控机发送的控制指令，但是其主要使用MATLAB 进行离线编程计算以及生成运动路径点和运动控制文件，对于操作人员来说编程方式并不直观。专利CN201510419180.1是目前最接近本发明方法的现有技术,该专利提出了一种双机器人进行双缝焊接的方法。PLC作为双机器人的主控制站，通过工业总线与机器人的控制器进行通信。但是该专利中，机器人的主控制器还是其本身所带有的控制柜，PLC仅仅是起到协调整个系统的作用，例如启动机器人，接收机器人反馈信息等，并不参与机器人运动学的求解，轨迹规划等运算。该系统也没有编程系统，并不具备实现双机器人协同算法的能力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多工业机器人的协同控制方法，用于解决现有多工业机器人控制系统可扩展性差、信息交换能力差、协同控制难，编程灵活性不足、无法在线编程，控制效果不理想等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多工业机器人的协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设计并开发通信接口模块，将不同品牌的工业机器人及其原有控制器集成到通用控制站中；

步骤S2：设计和开发工业机器人的组态元件；

步骤S3：开发多工业机器人协同控制算法的逻辑组态程序；

步骤S4：开发人机界面组态程序；

步骤S5：将工业机器人控制组态程序通过以太网离线传送或在线传送至通用控制站，由通用控制站执行程序的计算，由工业机器人的原有控制器驱动工业机器人各关节执行相应的动作；

步骤S6：采集工业机器人运行状态，对多工业机器人的协同控制效果进行测试；

步骤S7：运行系统，测试工业机器人在线编程的控制效果。

进一步的，所述步骤S1中，所述通信接口模块能够在以太网环境中通过调用工业机器人原有控制器的API应用程序编程接口，实现各个工业机器人及其控制器与通用控制站的连接通信；所述通用控制站能够接收来自工业机器人编程组态软件的由图形化组态元件构建而成的控制程序，并将组态程序的逻辑指令转换为运动指令，然后将所述运动指令通过以太网发送至工业机器人的原有控制器，同时工业机器人原有的控制器也能将每个工业机器人的状态数据信息传递回通用控制站。

进一步的，所述步骤S2的具体方法为：1、确定组态元件的输入输出接口；2、将组态元件算法封装为模块化函数；3、在通用控制站中对组态元件算法函数进行编译，此外，根据多个机器人之间不同的协同控制任务需求，定制不同类型的组态元件，不同的组态元件采用相同的数据结构进行编码，具有很好的兼容性。

进一步的，所述步骤S3中，利用组态元件开发多工业机器人协同控制算法的逻辑组态程序，工业机器人的各种动作通过对组态元件的简单排列、连线以及设置简单的参数进行控制，所使用的组态元件主要包括工业机器人组态元件、信号输入输出元件、数学计算元件、逻辑控制元件、函数发生器元件，具体方法为：

A、根据工业机器人控制系统协同控制的实际工序需求，规划好工业机器人的运动轨迹；

B、选用一系列组态元件进行简易的排列组合连线和参数设置，完成控制算法的逻辑组态程序的搭建。

进一步的，所述运动轨迹为圆周运动，其数学表达式为：

其中，为所述运动轨迹的横坐标，为所述运动轨迹的纵坐标，为运动轨迹的半径，为工业机器人当前所在点与坐标原点的连线与轴正方向的夹角。

进一步的，所述步骤S4中，利用组态软件的动画元件，编写人机界面的画面组态程序，并通过以太网与通用控制站进行连接，从通用控制站读取实时的输入输出数据，该组态程序能够很好地取代示教器，实现对机器人数据的读写和监控的功能。

进一步的，所述步骤S5中，所述通用控制站的功能是对由组态元件构成的控制程序进行计算，当通用控制站的程序按照顺序执行某个组态元件时，系统会将该组态元件所携带的数据传送到各功能处理单元模块中，所述数据包括组态元件计算属性参数、组态元件算法的信息以及上个计算周期的运算结果；所述在线传送支持7种类型的传送，包括在线运行时图形化组态元件的添加、删除和替换，相关排列关系和计算顺序的调整，控制算法和控制参数的在线修改以及逻辑组态的交换，其运行效果是可以在工业机器人控制系统不停止运行的情况下，对通用控制站中逻辑组态修改前后发生改变的组态数据进行更新；所述通用控制站还可以将处理完的程序转换成了一系列运动指令，并按照相应的通信协议格式传送到机器人原有控制器中，由机器人原有控制器中的各个运动处理模块根据相应的指令驱动工业机器人关节完成一系列动作。

进一步的，所述步骤S6中，工业机器人端的传感器能够将实时采集的数据通过以太网传输到通用控制站的数据库中，机器人的实时状态信息直观地显示在系统的人机界面上，从而监视整个机器人控制系统的协同运动过程，保证系统的所有控制站都处于平稳运行中，所述协同控制效果测试包括：各个机器人能否按照所设定的路线进行轨迹运动；协同运动的控制性能，具体包括控制的实时性、轨迹的精度。

进一步的，所述步骤S7中，运行多工业机器人控制系统，通过在线修改机器人控制程序，包括元件的参数、逻辑的修改、组态元件的增减，测试机器人的在线编程的控制效果。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用本发明方法的工业生产用户可以为自己的工厂自主地选择不同制造商生产的不同种类的工业机器人，只需要根据工序的需求通过网线连接灵活地增加机器人的数量即可，方法简单、应用灵活、可扩展性好；

2、使用本发明方法，用户可以在统一的控制站中用一种统一的标准编程语言进行多机器人的运动规划与相关智能算法的编程，而无需关注和依赖各个机器人原有控制器的编程方法；

3、本发明方法能够实现机器人在线编程，可以在不停机的状态下修改机器人的运动算法和参数，大大提高了机器人对于工序改变的适应性与机器人的工作效率。

附图说明

图1是本发明的控制方法流程图。

图2是本发明一实施例的控制逻辑在线修改与传送的示意图。

图3是本发明一实施例的人机界面设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种多工业机器人的协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设计并开发通信接口模块，将不同品牌的工业机器人及其原有控制器集成到通用控制站中；

所述通信接口模块能够在以太网环境中通过调用工业机器人原有控制器的API应用程序编程接口，实现各个工业机器人及其控制器与通用控制站的连接通信；具体地，所述通信接口模块采用典型的C/S架构，其中通用控制站作为客户端，工业机器人及其原有控制器作为服务器端。通用控制站通过设置IP地址与端口号连接目标服务器，并向机器人发送控制请求，连接成功后机器人才会响应通用控制站的请求。

所述通用控制站能够接收来自工业机器人编程组态软件的由图形化组态元件构建而成的控制程序，并将组态程序的逻辑指令转换为运动指令，然后将所述运动指令通过以太网发送至工业机器人的原有控制器，同时工业机器人原有的控制器也能将每个工业机器人的状态数据信息传递回通用控制站；具体地，运动指令的内容包括目标位姿的XYZ坐标、各个轴运动速度、电机脉冲等；机器人原有控制器与通用控制站之间的通信以标准的TCP/IP socket库为基础，遵循socket通信原理；状态数据信息包括机器人各关节的位置、角度、I/O值和各传感器的实时数据。

步骤S2：设计和开发工业机器人的组态元件。具体方法为：1、确定组态元件的输入输出接口；2、将组态元件算法封装为模块化函数；3、在通用控制站中对组态元件算法函数进行编译，此外，根据多个机器人之间不同的协同控制任务需求，定制不同类型的组态元件，不同的组态元件采用相同的数据结构进行编码，具有很好的兼容性。

以某多机器人协同控制算法中使用的矩阵求逆元件为例，其开发方法为：1、设计矩阵求逆元件输入输出接口的控制参数，包括输入的原矩阵的起始存储地址、矩阵的维数和输出的逆矩阵的起始存储位置。2、采用C语言编写矩阵求逆算法，并将其封装为模块化函数；3、在通用控制站中对矩阵求逆算法函数进行编译，供系统调用。

步骤S3：开发多工业机器人协同控制算法的逻辑组态程序；利用组态元件开发多工业机器人协同控制算法的逻辑组态程序，工业机器人的各种动作通过对组态元件的简单排列、连线以及设置简单的参数进行控制，所使用的组态元件主要包括工业机器人组态元件、信号输入输出元件、数学计算元件、逻辑控制元件、函数发生器元件，具体方法为：

A、根据工业机器人控制系统协同控制的实际工序需求，规划好工业机器人的运动轨迹；

B、选用一系列组态元件进行简易的排列组合连线和参数设置，完成控制算法的逻辑组态程序的搭建。

于本实施例中，所述运动轨迹为圆周运动，其数学表达式为：

其中，X为所述运动轨迹的横坐标，Y为所述运动轨迹的纵坐标，R为运动轨迹的半径，θ为工业机器人当前所在点与坐标原点的连线与X轴正方向的夹角。

可以选用常量发生器元件SG、乘法元件MUL、Sin函数、中间模拟量等元件，采用简单排列的方式构建协同控制逻辑。具体地，元件SG是一个常量发生器，将SG的参数设置为半径R；元件MUL为乘法，将SG元件与Sin函数元件相乘得出的值赋给LA中间模拟量元件，即可将LA的值直接赋给机器人末端坐标控制的X轴（即公式中的X变量）。采用笛卡尔空间坐标的方式，通过设置合适的运动速度，将这些与运动控制相关的指令通过以太网传到通用控制站即可完成机器人末端执行圆周运动的计算。

步骤S4：开发人机界面组态程序；利用组态软件的动画元件，编写人机界面的画面组态程序，并通过以太网与通用控制站进行连接，从通用控制站读取实时的输入输出数据，该组态程序能够很好地取代示教器，实现对机器人数据的读写和监控的功能；请参照图3，所述人机界面可以监控的内容主要包括：机器人工具末端的位置、机器人各关节的角位移、各关节的角速度、报警等。

步骤S5：将工业机器人控制组态程序通过以太网离线传送或在线传送至通用控制站，由通用控制站执行程序的计算，由工业机器人的原有控制器驱动工业机器人各关节执行相应的动作；

所述通用控制站的功能是对由组态元件构成的控制程序进行计算，当通用控制站的程序按照顺序执行某个组态元件时，系统会将该组态元件所携带的数据传送到各功能处理单元模块中，所述数据包括组态元件计算属性参数、组态元件算法的信息以及上个计算周期的运算结果；

所述在线传送支持7种类型的传送，包括在线运行时图形化组态元件的添加、删除和替换，相关排列关系和计算顺序的调整，控制算法和控制参数的在线修改以及逻辑组态的交换，其运行效果是可以在工业机器人控制系统不停止运行的情况下，对通用控制站中逻辑组态修改前后发生改变的组态数据进行更新；

请参照图2，于本实施例中，某逻辑组态由元件A、元件B、元件C构成，其计算时序分别为1、2、3。现因系统控制或调试需要，对该段逻辑进行了适当的修改，修改后的逻辑由元件A、元件B、元件C和元件D构成，其计算时序也调整为1、2、4、3。该步骤可以将修改后的逻辑组态发生变化的部分进行在线传送，通用控制站也只需要对元件C的计算时序和元件D的组态数据进行更新即可。

所述通用控制站还可以将处理完的程序转换成了一系列运动指令，并按照相应的通信协议格式传送到机器人原有控制器中，由机器人原有控制器中的各个运动处理模块根据相应的指令驱动工业机器人关节完成一系列动作。

步骤S6：采集工业机器人运行状态，对多工业机器人的协同控制效果进行测试；工业机器人端的传感器能够将实时采集的数据通过以太网传输到通用控制站的数据库中，机器人的实时状态信息直观地显示在系统的人机界面上，从而监视整个机器人控制系统的协同运动过程中，保证系统的所有控制站都处于平稳运行中，所述协同控制效果测试包括：各个机器人能否按照所设定的路线进行轨迹运动；协同运动的控制性能，具体包括控制的实时性、轨迹的精度等。

步骤S7：运行系统，测试工业机器人在线编程的控制效果；运行多工业机器人控制系统，通过在线修改机器人控制程序，包括元件的参数、逻辑的修改、组态元件的增减等，测试机器人的在线编程的控制效果。

例如，在机器人当前运行状态下，如机器人末端进行画圆周的运动时，将末端运动的圆周半径的设定值增加一倍。通过在线传送的功能将修改后的控制逻辑发送至通用控制站，观察机器人能否平滑地过渡到新的控制指令，即进行半径增加了一倍的末端圆周运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。