一种工业机器人群控系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业机器人领域，特别涉及一种工业机器人群控系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，为保证产品质量和生产效率，一些劳动强度大，危险性强的工作，通常都会逐步采用工业机器人代替人去完成。目前工业机器人已在很多领域得到了广泛应用。但工业机器人在使用和推广过程中也存在着诸多问题:
其一，虽然机器人的潜在市场非常大，但是目前市场上工业机器人的规格种类却很少，并以垂直关节型六自由度工业机器人为主。这种工业机器人可以实现空间位置和姿态的任意调整，通用性强，能够满足大多数的用户需求，但也存在着在很多实际应用领域大材小用，性价比不高的缺陷。特别是在码垛、送料、搬运等对轨迹和定位精度要求不是很苛刻的情况下，研制开发针对行业和工艺特点要求的经济型、专用型工业机器人，具有更加广泛的市场需求。
[0003]其二，不易于扩展是现有工业机器人的一个突出问题。现有工业机器人的控制器架构，基本以多关节运动控制卡为主，这种架构决定了控制器所能控制的关节数是确定的且是有限的，用户在进行机器人应用系统集成时，往往还需要增加外部关节数，这时只能针对增加的外关节配置单独的控制器。例如专利201510163705.X提出的一种基于EtherCAT总线的8轴机器人控制系统，是由6轴机械臂控制卡和2轴运动平台控制卡构成一台8轴机器人的控制器，系统可扩展差。
[0004]其三，控制器硬件配置固定，控制器资源有效利用率低。控制器连同运动控制卡是针对机器人的关节数和精度要求预先设计好的，控制器连同运动控制卡与机器人的搭配在出厂时就已确定，即便是机器人用于比较简单的运动，用户也不能降低控制器的硬件配置，这不利于降低不必要的成本。
[0005]其四，可靠的多机器人协调控制是当今工业机器人面临的又一个突出问题。区别于单机器人控制系统，多机器人控制系统由于其时间、空间、功能、信息和资源的分布性特点，表现出极大的优越性。对于很多制造企业，如冲压行业，其一条生产线往往需要数台甚至数十台工业机器人的顺序协同作业，这种情况下，使用单机器人控制系统时，机器人与机器人之间的联络通讯占用机器人大量的I/O资源或需要借助额外的通讯设备，同时也增加了系统配置和成本，降低了多机器人协调控制的可靠性。然而通常的多机器人群控系统基本以一个主控制器和多个子控制器为主，每台机器人分别配有一个子控制器，实现每台机器人的独立控制;整个系统配有主控制器，对各个机器人的工作任务进行协调、监控，从而实现群控功能，但不直接参与某一机器人某一关节的运动控制。例如专利201410730885.0提出的一种基于EtherCAT的智能工业机器人总线模块及其操作方法，是基于EtherCAT总线的单台工业机器人控制，而未涉及多机器人群控系统。专利201510172297.4提出的一种基于以太网的开放式机械手控制方法，则采用多个支持EtherCAT协议的ARM控制器实现多机器人群控，PC端实现机器人的监控。专利201310345024.6提出的一种多机器人协调控制装置及其方法，控制器由工控计算机、运动控制器、上料机器人控制器、下料机器人控制器组成。专利201410649607.2提出的一种多机器人焊接系统的群控装置及其方法中，所有机器人都配备带有CC-LINK通讯卡的独立控制器，PLC作为主控制器对各个机器人的工作任务进行协调、监控。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种工业机器人群控系统及方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种工业机器人群控系统，包括:一控制器、一与所述控制器相连的示教器以及第I机器人至第η机器人，其中，η为大于等于2的正整数;每台机器人均包括:机械臂本体以及至少一个关节驱动模块;所述控制器以及每个关节驱动模块均设置有支持EtherCAT协议的以太网接口；所述控制器通过以太网线与所述第I机器人内的第一个关节驱动模块相连;所述第I机器人至所述第η机器人内的第一个关节驱动模块至最后一个关节驱动模块均通过以太网线依次相连;相邻的机器人中前一机器人内的最后一个关节驱动模块与后一机器人内的第一个关节驱动模块相连;所述控制器作为EtherCAT主站;所述第I机器人至所述第η机器人内的第一个关节驱动模块至最后一个关节驱动模块作为EtherCAT从站，通过所述控制器对所述第一机器人至所述第η机器人进行群控。
[0008]进一步的，本发明还提供一种工业机器人群控方法，按照如下步骤实现:
步骤S1:记所述工业机器人群控系统内机器人台数为η，根据以太网线连接顺序，第i台机器人记为Ri，第i台机器人的第j个关节记为RiJj，该机器人的关节数量记为k，结构构型记为1空间位姿记为口(1，7，2，01，02，03)，根据机器人关节数量1^确定空间位姿？内有效参数的个数；
步骤S2:将软件架构采用分层结构的控制器由底层到顶层分别划分为设备层、中间层、应用层以及用户层；
步骤S3:通过组态软件或通用可视化编程工具开发用户层程序，并为用户提供人机交互界面，且所述用户层程序包括:机器人配置界面Config模块、主选择界面Select模块以及用户指令代码输入窗口 Window(i)模块；
步骤S4:在所述控制器的内存区域分配一存储区域，记为M，用于实现在所述用户层程序与应用层程序之间进行信息交换，根据机器人数量η将所述存储区域M划分为η个存储区域，第i个存储区域对应第i台机器人，并记为Mi ；
步骤S5:通过由实时运动控制软件开发的应用层程序读取各个存储区域Mi中的机器人固定参数，选择并读取各个机器人当前待执行的指令代码；
步骤S6:通过由实时运动控制软件开发的中间层程序实施用户指令功能算法；
步骤S7:在所述控制器的内存区域分配另一片存储区域，记为E，用于实现在所述中间程序与设备层程序之间进行信息交换;根据机器人数量η将所述存储区E域划分为η个存储区域，第i个存储区域对应第i台机器人，记为Ei;按照关节数量k对所述存储区Ei进行划分，将第i台机器人的第j个关节记为EiJj;按照数据传输方向对所述存储区EiJj进行划分，将第i台机器人的第j个关节接收的控制数据输入区记为EiJjIn;将第i台机器人的第j个关节返回的状态数据输出区记为EiJjOut;所述中间层程序负责把计算所得的当前扫描周期内的每台机器人对应的每个关节的控制数据存于所述存储区E中El Jl In至EnJkIn的对应位置；
步骤S8:所述设备层程序在每个扫描周期内，实时把所述存储区E中的ElJlIn至EnJkIn中的控制数据，以报文的形式通过以太网按照EtherCAT协议传送至每台机器人对应的每个关节驱动模块，并将每台机器人对应的每个关节中的状态数据送回至所述存储区E中的ElJlOut至EnJkOut 中。
[0009]在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，所述机器人配置界面Config模块用于配置每一台机器人的固定参数，且所述固定参数包括:所述关节数量k、所述机器人构型f以及关节运动范围等;所述主选择界面Select模块用于选择确定进行示教操作的机器人Ri，选择后即调用该机器人对应的用户指令代码输入窗口 Window(i)模块，并将所选择的机器人Ri的机器人固定参数传输给该用户指令代码输入窗口Window(i)模块；用户指令代码输入窗口 Window( i)模块为用户提供规范化用户指令代码格式，并对指令代码进行编码以及功能定义。
[0010]在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，按照最大用户指令代码数量m对所述存储区Mi中指令代码存储区进行细分，并将第i台机器人第k条指令代码存储区记为MiCk;所述用户层程序负责把每台机器人固定参数和用户编写的各机器人指令代码存于存储区域M的相应位置。在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，将第i台机器人当前待执行的指令代码对应存储区Mi的位置指针记为Qi;所述应用层程序按顺序对各个位置指针Qi进行控制，选择所述存储区M中各个机器人当前待执行的指令代码的存储地址，然后读取所有机器人的当前待执行的指令代码，采用定周期扫描方式执行，即每个周期遍历扫描控制，并读取一次每一台机器人当前扫