機器人協同控制1

主流生產商提供的多機器人協作功能比較

① 參與協作的機器人的數目

② 1條協作運動指令控制1個機器人的運動

③ 1條協作運動指令控制n個機器人的運動

ABB的MutiMove功能

ABB的MultiMove功能（基於ABB ICR5控制器）目前最多能夠同時協調4個ABB工業機器人、6個作業任務。MultiMove功能在ABB機器人示教盒上的操作界面如圖2.6所示。帶有MultiMove功能的機器人示教盒上面始終顯示系統中機器人的個數以及本次操作所針對的機器人對象，如圖2.6所示的狀態表明整個協作系統中含有2個機器人，左邊的機器人圖標帶有黑色方框表示該機器人處於運動選中狀態，此時的伺服上下電控制以及手動操作都只針對該選中的機器人。ABB的MultiMove功能將協作運動分為半協調運動（Semi coordinated movements）和協調同步（Coordinated synchronized movements）兩類。圖2.6中還包含了一段機器人協作子程序，其中的「SynMoveOn」、「SynMoveOff」等協作指令均是ABB專為其RAPID機器人編程語言新增的指令。

KUKA的RoboTeam功能

KUKA RoboTeam功能（基於KUKA KRC2控制器、KCP2示教盒）目前最多能夠同時協調16個KUKA工業機器人。RoboTeam功能在KUKA機器人示教盒上的操作界面如圖2.7所示。

KUKA KCP2機器人示教盒上有專門的多機器人系統配置頁面，有關機器人伺服狀態設置、獨立/協作模式選擇的頁面如圖2.7所示。KUKA公司在其多機器人協作系統上為每個機器人本體額外配置了用於顯示機器人選中狀態的指示燈，如圖2.8所示，指示燈亮表明示教盒運動操作指令對該機器人有效，否則機器人不動作。只有一個機器人亮燈表明是單個機器人的獨立運動，有多個新號燈亮起表明機器人工作在協作運動的模式。

RoboTeam功能將多機器人協作分為程序協作(Program Cooperation)和運動協作(Motion

Cooperation)兩類。KUKA公司為RoboTeam功能的協作指令編程設計了專門的「Program Cooperation」指令集，該指令集是對KUKA KRL編程語言的擴展包。

Motoman的獨立/協調功能

Yaskawa Motoman機器人的獨立/協調功能(基於DXl00控制器)目前最多能夠同時協調8個Motoman工業機器人。獨立/協調功能在Motoman機器人示教盒上的操作界面如圖2.9所示。

如圖2.9所示，Motoman機器人示教盒上有專門的「獨立/協調」狀態圖標顯示區，該圖標可見表明機器人工作在協調模式，不可見則表明機器人工作在獨立模式。機器人示教盒上還有當前操作的機器人圖標，該圖標用數字的方式區別當前操作的是哪一個機器人。圖2.9中還包含了一小段的雙機器人協作程序，其中控制軸組(CONTROL GROUP：R1+R2:R1)表明該協作過程包含Rl和R2兩個機器人，且R1為主機器人。「SMOVL … + MOVL」、「MOVL … + MOVL」等協作指令是安川公司專門為協作功能編程新增的指令，並將擴展後的機器人編程語言由INFORM Ⅱ改稱為INFORM Ⅲ。

參考論文提供的協同控制方案

方案1[1]：利用地址編碼實現的協同控制

採用基於主從機器人形式的鑽鉚工作流程，提出為工業機器人編碼，利用Ethernet(TCP／IP)進行系統和機器人之間的信息交互，該模式能實現2台及2台以上的工業機器人的協同運動控制，並構建了一種深度應用現場匯流排技術的基於PC的集成控制系統，能夠實現與其他自動化設備的集成。

由於對於機器人的控制是基於外部自動控制模式下的，為了實現該控制模式，對機器人的系統變數進行更改，該更改基於EtherCAT工業乙太網和ProfiBus匯流排實現；Ethernet(TCP/IP)用於與機器人之間進行信息交互，並對機器人進行運動規劃。

本文的通信拓撲結構採取廣播方式。將上位規劃層配置為伺服器，所有機器人端均配置為客戶端，利用地址化方式為機器人進行編碼，上位規劃層通過編碼識別機器人端傳回的信息，發送的信息同時被所有機器人接受到，機器人客戶端通過解碼的形式實現運動指令的獲取。

對雙機器人端的響應時間進行測試，機器人l的平均通信時間為48.14ms，分布在45～62ms間；機器人2的平均通信時間為60.76ms，分布在46～78ms間。

為滿足飛機部件裝配中機器人自動制孔設備控制要求，西北工業大學設計了一種基於機器人飛機部件自動制孔設備控制系統[4]。該控制系統採用離線編程、中央控制層、現場控制層和執行層四級結構，採用 Beckhoff工業計算機作為控制核心，以EtherCAT和 Profibus匯流排為控制方式,通過TwinCAT 2.0控制軟體完成工業現場的實時控制。設計了末端執行器控制系統、機器人控制系統和設備附件控制系統。

制孔設備控制系統採用基於現場匯流排的分散式主從站控制方式，中央控制器通過EtherCAT匯流排和 Profibus匯流排與現場控制器實現數據通信，中央控制器負責整個系統配置、調度和管理工作，將根據控制需要向現場控制器發送運動控制指令和數據，實時監控各現場控制從站的運行狀態。

在本控制系統中 ，採用Profibus匯流排用來實現KR C4與上位機的通信。機器人控制器KR C4通過擴展匯流排KEB的EtherCAT介面與Beckhoff的耦合器EK1100及Profibus從站端子模塊EL6731-0010建立Profibus 從站；Beckhoff的上位工控機通過其 EtherCAT介面連接耦合器EK1100和Profibus主站端子模塊EL6731建立Profibus主站模塊。上位機工控機和下位機器人控制器 KR C4 通過Profibus 主從站模塊採用Profibus 通信協議交換數據。如圖 6 所示為機器人通信設計。

浙江工業大學[5]針對Epson-G6和Staubli-TX90工業機器人，研究一種基於Socket通信的工業機器人監控系統；系統分為本地監控端和Web遠程監控端；本地監控端基於TCP協議和Socket通信技術，編寫了機器人控制器服務端程序和MFC類庫開發的客戶端程序，客戶端分為通訊功能模塊，末端坐標軌跡存儲模塊和基於OpenGL類庫的運動姿態展現模塊；在此基礎上，基於J2EE架構和WebSocket通信協議編寫了Web遠程監控端程序，分為用戶管理模塊和實時監控模塊；系統實現了機器人末端坐標軌跡的採集並遠程存儲至PostgreSQL資料庫，同時通過逆運動學計算展現了機器人三維運動姿態，並在Web頁面以動態曲線方式監控機器人的末端坐標軌跡。

本地監控端採用C/S （客戶／伺服器）模式，將機器人控制器作為通信服務端，將基於MFC類庫開發的C++程序作為通信客戶端。MFC客戶端主要有３個核心功能：與工業機器人的通信，工業機器人末端坐標軌跡的遠程存儲，工業機器人三維運動姿態的實時展現。

將Staubli-TX90和EPSON-G6的機器人控制器作為通信服務端，首先打開網路通信埠，設置控制器為服務端，偵聽客戶端的連接，使程序變為阻塞狀態，一旦檢測到客戶端連接完成，程序繼續執行，創建兩條同步任務，在機器人運行到目標點的同時發送機器人當前實時末端坐標給客戶端。

方案2[2]：利用KUKA.RoboTeam協同軟體工藝包

機器人通過工業乙太網與控制計算機連接。兩台機器人之間通過同步電纜連接，通過Profibus現場匯流排與外圍PLC及I/O通信。系統中KUKA機器人配置了Roboteam協同軟體工藝包。

KUKA 機器人的協同方式有兩種模式：（1）運動起始點同步方式。協同機器人在同步點開始同步，同步後各自繼續執行運動程序，機器人之間沒有耦合關係；（2）運動時間同步方式。協同機器人在同步點開始同步，同時機器人運動耦合機器人之間協調運動速度，保證在Δt1同步周期內同時到達下一個路徑點。

機器人同步的基本過程規劃如圖 9 所示。機器人進行初始化後，主、從機器人分別回HOME點（HOME 點位置根據實際情況設置），主、從機器人都到達同步點後，同步開始。這時，從機器人執行一條幾何耦合指令，完成耦合。由 SYNC 命令設置需要協同的程序段後，雙機器人開始執行協同運動。當所有運動完成後，解除同步和耦合關係，主、從機器人各自回到 HOME 點。

機器人系統通過工業乙太網與集成控制計算機連接，二者之間的通訊方式為面向工業控制的標準OPC協議。集成控制軟體解析離線編程程序，向兩台機器人發送控制指令，機器人控制程序解析接收到的指令，控制雙機器人協同運動。

方案3[3]：僅用I/0量進行通信

本文提出一種基於EtherCAT的僅用I/0量進行通信的多機器人通信方式，該方法成本較低，但是機器人的協同性較差，不適用於機器人工作空間重合的場所。

雙臂機器人的執行器和力/力矩感測器都是通過EtherCAT協議進行通信的。在生產線工作單元，只有一個數字輸入信號 (DI)和一個數字輸出信號(DO)使得兩個機器人同步。數字輸入/輸出信號通過EtherCAT協議與工控機相連。數字輸入/輸出信號的響應時間小於10μs。

本文設計了特殊的雙臂機器人語言（DRL）。

參考文獻

[1] 向勇, 田威, 洪鵬,等. 雙機器人鑽鉚系統協同控制與基坐標系標定技術[J]. 航空製造技術, 2016, 511(16):87-92.

[2] 張楊, 高明輝, 周萬勇,等. 自動鑽鉚系統中工業機器人協同控制技術研究[J]. 航空製造技術, 2013, 440(20):87-90.

[3] Choi T, Do H, Park

D, et al. Real-time synchronisation method in multi-robot system[J].

Electronics Letters, 2014, 50(24):1824-1826.

[4] 席志成, 楊宏安, 夏常凱,等. 基於機器人的飛機部件自動制孔設備控制系統設計研究[J]. 機械製造, 2014, 52(3):61-64.

[5] 徐建明, 潘湘飛. 基於Socket通信的工業機器人監控系統研究[J]. 計算機測量與控制, 2017, 25(7):70-73.

[6] 甘亞輝.柔性化焊接系統中的多機器人協作控制研究[D].東南大學,2014.

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