王 涛，李 阳，王 宁，唐 杰

1 引言

为了满足工业机器人多品种、小批量、柔性化的生产需求，人们将模块化和可重构思想引入工业机器人设计中[1]。与传统方法相比，模块化设计能很好地解决机器人品种多、批量小与设计制造周期长、成本高之间的矛盾[2]。文献[3]在对机翼变形性能改进应用的案例研究中发现，模块化设计还可以提高机器人的可靠性并减少系统误差。而可重构则可以使机器人的设计可以在统一的、标准的、通用的软硬件平台上实现，机器人制造商通过重构结构模块，形成系列化的机器人产品[4]。文献[5]提出具有六个自由度，并且可从二自由度到六自由度转换的并联重构机器人结构模块，解决了重构机器人主要问题之一的几何结构确定问题。而文献[6]则提出了集机械结构设计和运动规划于一体的一类三维模块化自重构机器人系统。该系统为自重构运动作为连接点的活动链接。连结有三个自由度机械手，立体结构可以被定位和使用该链接定向。最终使机器人可以改变结构并在复杂环境中进行工业生产任务。人们不断的设计探索使得机器人设计可以根据制造产品的变化，对机器人系统进行调整，实现整个系统的最大柔性，同时降低生产线成本[7-8]。

工业机器人广泛应用在在汽车制造、机械加工、焊接、上下料、磨削抛光、搬运码垛、装配、喷涂、航空航天等作业中[9-10]。目前，工业机器人主要分两大类：（1）关节机器人，俗称工业机械手；（2）坐标机器人。关节机器人的核心技术主要为一些大的机器人制造商掌控，如ABB，KUKA，FANUC等，机械结构较为成熟，控制系统开放性较差，机器人成本高。与关节机器人相比，坐标机器人结构灵活，控制系统形式多样，技术门槛不高，成本低廉，设计模块化，可重构性较好，在工业生产上使用更加广泛，尤其对于中小制造类企业，成为其制造升级的首选。论文主要针对直角坐标机器人及其系统，研究其模块化的软硬件平台结构，并在模块化的基础上，研究其可重构的实现途径，最后给出了论文所研究机器人系统的设计应用实例。

2 硬件平台

模块化的硬件平台可满足多种样式的坐标机器人的设计，如图1所示。多台机器人（机器人1，2，…，n）通过互联网彼此相连，并与工厂计算机相连，形成一个机器人系统。每个机器人由四大模块组成：集成控制器模块，伺服驱动模块，机器人外围电气模块和机械执行机构模块。集成控制器模块包括了三个子模块，运动控制模块（MC模块），人机交互模块（HMI模块）和PLC模块。MC模块是机械人运动控制的核心模块，可实现对机器人坐标轴的单独控制和联动控制，并将控制指令发送给伺服驱动模块，PLC模块主要完成与机器人逻辑运算和逻辑控制相关的工作，处理输入模块发送来的逻辑信号，并将输出逻辑发送给输出模块；HMI模块主要用于人与机器人的交互，可完成界面控制操作，实时状态显示，设置参数，发送数据，程序管理，运行状况信息处理和监控等功能。伺服驱动模块主要由多台套伺服驱动器和伺服电机组成，驱动机械执行机构完成机器人的运动，该模块可根据实际的控制轴数进行增裁。机器人外围电气模块主要实现机器人外围电气的控制，通过输入模块获得机器人外围电气的工作状态，在PLC模块进行逻辑处理后，一部分信号送给MC模块，由MC模块进行处理；另一部分信号由输出模块输出，实现机器人外围电气的工作动作控制。机械执行机构模块可根据不同的应用形式，设计不同的结构形式，典型的坐标机器人机械结构形式，如图2所示。可直接利用典型结构形式进行设计，也可根据实际应用需要，对典型结构形式进行结构变异，获得一种可用的结构。

图1 模块化硬件平台Fig.1 The Modular Hardware Platform

图2 典型坐标机器人结构Fig.2 The Representative Structure of Coordinate Robot

3 软件平台

机器人模块化软件平台组成，如图3所示。各个模块的功能如下：（1）初始化与底层驱动模块：系统开机后，完成对各个硬件模块和软件模块的初始化，检测机器人系统初始状态是否正常，并提供整个硬件系统的驱动软件。（2）HMI模块（软）：操作人员主要通过HMI模块与机器人进行交互，系统参数的输入，报警信息的显示，坐标信息的显示，手动操作信息的输入等都通过HMI模块完成。（3）PLC编程模块（软）：通过梯形图设计，完成机器人的逻辑控制。（4）轴控制模块：负责机器人系统的运动轴配置和控制。（5）工作任务规划模块：通过该模块，实现对机器人负责的具体工作任务进行规划设计。（6）参数配置模块：机器人不同的结构形式和不同的应用场合，要求对系统参数进行特定的配置，系统参数模块主要完成此项功能。（7）系统报警模块：处理系统的各种报警信息，对各种报警信息进行分级处理，机器人系统根据不同报警级别做出相应处理。（8）信息监控模块：用于处理机器人系统在运行过程中的状态监控。

图3 软件平台模块组成Fig.3 The Modular Softwae Platform

4 可重构实现

通过重构现有机器人，可实现机器人功能的变化，也可以基于现有机器人，重构出新形式的机器人。对于完成不同工作任务的坐标机器人来说，他们之间的区别可归结为四个主要方面：控制轴数的不同，机器人结构形式的不同，输入点的不同和输出点的不同。对于一种机器人，对这四个主要方面中的一个或几个进行重构，便可获得具有新功能的机器人。而这四个方面的改变主要通过硬件平台和软件平台中的具体模块重构来实现。如表1、表2所示，第一行为机器人功能重构的四个方面：控制轴数重构，机械结构形式重构，输入点重构和输出点重构；“”表示该列所在功能的重构需要该行所在模块做出相应的重构，“〇”表示该列所在功能的重构可能需要该行所在模块做出相应的重构，“×”表示该列所在功能的重构不需要该行所在模块做出相应重构。

以控制轴数重构为例。一个机器人的控制轴数发生了重构，在硬件平台上，硬件MC模块有可能发生重构，如从3轴控制，增加到4轴控制，如果现有MC模块是3轴模块，则必须更换4轴模块，如果现有模块具有4轴功能，则可以不必更换；同理，从3轴控制减为2轴控制，可以更换MC模块，也可以不必更换。PLC模块（硬）有可能不满足控制轴数功能需要而需要重构，也有可能满足而不需要重构。伺服驱动模块，要根据轴数的变化进行相应的增减重构。

同样，机械执行机构模块，要根据轴数的变化进行相应的增减重构。输入模块和输出模块的点数如果不能满足轴数变化后的功能要求，则需要扩充；如果满足，则不需要扩充。

表1 可重构实现-硬件平台Tab.1 Robot Reconfiguration-Software Platform

表2 可重构实现-软件平台Tab.2 Robot Reconfiguration-Hardware Platform

在软件平台上，HMI模块（软）重构表现为增加或减去发生变化的控制轴信息；PLC模块（软）需要对与变化的控制轴相关联梯形图进行重构设计；由于控制轴数发生了变化，需要对轴控制模块进行重新配置重构；在工作任务规划模块上，对新的工作任务进行重新设计规划重构；同理，参数配置模块，系统报警模块和信息监控模块也需要根据轴的变化做出相应的重构变化调整。

同理，对于机器人其它三个方面的功能重构：机械结构形式重构，输入点重构和输出点重构，也对应着机器人硬件平台和软件平台相关模块的重构。从表1、表2中不难发现：与控制轴数重构相关联的软硬件模块数量最多，机械结构形式重构次之，输入点重构和输出点重构最少，据此，可以将机器人的重构分三个层次，如图4所示。控制轴数重构属于核心层，机械结构形式重构属于次核心层，输入点重构和输出点重构位于最外层。从内向外，里层的重构，必然引起外层的重构。例如，核心层重构（控制轴数重构），必然引起机械结构形式的变化，即次外层重构（机械结构形式重构），也会引起输入点和输出点的变化，即最外层重构。而输入点和输出点重构，一般是改变机器人及其附件上的一个或几个逻辑控制，不会引起机器人控制轴数和结构形式的改变。很明显，对现有机器人进行核心层和次核心层重构一般会得到一个新的机器人，而进行最外层重构，只会改变现有机器人的逻辑控制功能。

图4 机器人重构的三个层次Fig.4 Three Levels of Robot Reconfiguration

5 应用实例

前述方法在实际坐标机器人的设计中进行了应用，设计的一台坐标机器人样机，如图5所示。集成控制器选用新代HC8AK触控屏控制器，伺服驱动模块选用3套Ruking750W伺服驱动器+电机系统，机械结构选用铝型材框架式结构。该样机能够完成吸取物料并放至指定黄色箱子中等功能。

图5 坐标机器人样机Fig.5 The Coordinate Robot Prototype

在前述机器人单机基础上，利用这里的重构方法，设计并制造了电梯门板生产线系统，应用在某电梯生产企业。系统方案图，如图6所示。实物图，如图7所示。

图6 坐标机器人电梯门板生产线系统设计方案Fig.6 Design for the Production Line of Elevator Door by Coordinate Robot

图7 坐标机器人电梯门板生产线系统Fig.7 The Production Lines System of Elevator Door by Coordinate Robot

在该系统的设计过程中，还将工厂原有的串联机械手整合到生产线中来，既提升了工厂的生产制造技术，又利用了工厂原有设备，降低了新生产线的成本。该设计方案使工厂生产电梯门板实现了无人化、全自动化，并且可根据生产需要将产量控制在（45～50）s一个节拍。最大日产量可达1500只以上。该方案是模块化可重构坐标机器人设计思想的全面体现，含有控制轴数重构，机械结构形式重构，输入点重构和输出点重构全部思想。人们还可以根据需要应用这里的设计思想对其他工业产品的自动化、无人化生产加以应用。

6 结论

（1）为了满足当代工业机器人的生产需求，论文主要针对直角坐标机器人及其系统，设计了模块化的软、硬件平台结构，并对软、硬件各个模块的关系和功能进行了具体详细的阐述。（2）在模块化的基础上，分别给出了其可重构性在软、硬件平台上的实现途径。提出了机器人重构的四个方面：控制轴数重构，机械结构形式重构，输入点重构和输出点重构。（3）将机器人重构归结为核心层重构，次核心层重构和最外层重构。指出机器人经过核心层和次核心层重构，能得到一个新的机器人，而最外层重构，只会改变原有机器人的逻辑控制功能。（4）给出了这里所研究机器人系统的设计应用实例。