工业机器人在大型展馆中的运用

2017-10-09俞雷挺

电气自动化 2017年3期

关键词：群舞调用时序

俞雷挺

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

工业机器人在大型展馆中的运用

俞雷挺

(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

通过介绍工业机器人在上海科技馆机器人剧场的实际应用，以案例中核心表演项目茉莉花群舞为例，详细阐述了系统的基本原理、系统的组成、以及系统群控的实现方法，很好地利用了工业机器人的精准性、及时性，将高速PLC作为核心协同调配多台机器人进行群舞表演，实践证明系统舞台表现力强，性能可靠稳定，维护方便。

工业机器人；PNS；时序图；集成控制；现场总线

Abstract: Based on the introduction of practical application of industrial robots in the robot theater of Shanghai Science & Technology Museum, taking core performance jasmine group dance as example, this paper elaborates the basic principle, system composition and group control method of the system, which makes good use of the accuracy and timeliness of industrial robots to perform a multi-robot group dance, using high- speed PLC as core. Practice proves that the system has a strong expressive force and reliable performance and is easy to maintain.

Keywords: industrial robot;PNS;timing diagram; integrated control; field bus

0 引言

机器人剧场是上海科技馆展项类中的重点，是整个展馆的重中之重，利用多媒体手段展示了至今没有尝试过的、具有深邃科学内容和先进技术的、全部由机器人表演的节目，从开始酝酿、创意概念的产生到策划设计，是一次新型多媒体产业的突破。机器人剧场展项工程是一项多媒体的大系统工程—媒体工程，整个展项其实就是一个多媒体表演，整个内容策划设计表现了深邃的现代科学理念和高新技术的应用。它实现了机电一体化控制集成技术的突破并产生了强烈的冲击效果，在国内大型媒体工程展示项目的集成控制手段上，首次通过集散式控制手段，完成了对工业机器人、灯光设备、音响设备、投影拼接及播放设备等以及它们的控制系统进行了全方位的集成，探求出了一条集成系统接口开发技术。实现了把人性化的舞蹈动作改变成机器人可以接受的控制机器码，并可以优美地仿真人的舞蹈动作，实现了二次再创作，达到了不同程度真实感的仿真视觉冲击，舞台效果如图1所示。

图1 机器人群舞表演图

1 机器人群舞系统结构

机器人剧场主要设备由两台5公斤的小机器人和六台6公斤的机器人组成，小机器人充当报幕员的角色，而六台大机器人充当群舞的主要角色，通过改变这八台机器人的道具组合出不通风格的节目，如茉莉花、京剧三岔口、爵士舞等，除了八台机器人外还有PLC系统、舞台追光灯、舞台PAR灯、舞台调音台以及监控触摸屏等设备，舞台追光灯和舞台PAR灯用以烘托剧场气氛，监控触摸屏位于主控室用于操作人员启动节目，通过PROFIBUS现场总线将所有设备连接起来。PLC系统是整个控制系统的枢纽，通过对以上设备的协调控制达到机器人跳舞高度拟人逼真的表演效果[1]23-31。系统结构图如图2所示。

图2 机器人剧场系统结构图

2 机器人群舞系统集成实现

图3 主要实现流程图

为达到机器人群舞的目的，首先由主控PLC完成节目进程的推进功能，不断将结束码和当前状态字进行比对[2]74-76，一旦两者相同就结束当前进程进入下一个进程，并发送相应的通讯码以激活机器人群当前PNS程序，以此类推直到完成整个表演节目，主要实现流程图如图3所示。其次每个进程必须严格按照预先制定好的时序图进行运作，如图4所示。以茉莉花群舞中部分舞蹈段为例共5个时序段，通过编码方式实现当前时序段各机器人的舞蹈动作，从而实现机器人与设备之间的精准配合达到机器人群舞的拟人化效果。

2.1 编码组成

每个时序段都由结束码和通讯码组成，由于要表达大于八台设备的状态信息，因此每种码由双字组成，以16进制的形式储存于PLC的DB数据库中[3]43，PLC将数据库中的结束码和实时状态进行比对，一旦比对成功就将启动下一个进程的激活码(通讯码)，以达到机器人群舞的目的。

2.2 通讯码介绍

通讯码用来激活在当前时段中需要激活的程序段。如果通讯码是1则表示要启动该PNS程序，需要注意的是如果PNS还未执行完则通讯码是0而不是1，避免重复启动相同的PNS程序。

2.3 结束码介绍

结束码代表当前进程的结束状态码，结束状态码分两种情况，一种是PSN程序自然执行完毕，此时机器人会返回一个信号给PLC，另一种是当一段PNS程序并未执行完成而又需要去调用其他的机器人来一起协调完成某个舞蹈动作，此时机器人到点会发出一个“DO[]”信号通知PLC，该信号是在TP示教盘中插入到PNS程序段中的，时序图中的“X”即是“DO[]”信号，如图4所示。

图4 机器人剧场茉莉花群舞时序图

3 机器人群舞系统通讯介绍

由于机器人的互动对时间的要求极高，为保证表演节目的观赏性，机器人之间的动作执行必须保证在几十毫秒之内被执行，通过对现场反复测试选用PROFIBUS现场总线作为机器人通讯主干线，其他不支持该通讯协议的设备通过DP-Link模块将RS232转换成PROFIBUS协议[4]51-55。

为保证通讯的实时性DP-Link模块的波特率必须设置成：1.5M，奇偶校验：所有设备的校验位保持一致即可。由于设备的输入输出通讯命令只需一个字即可，所以Input和Output缓冲区只要选择2个byte，如图5所示。

图5 DP-Link模块缓冲区配置图

4 工业机器人系统介绍

4.1 机器人硬件组态

在PLC的相关界面加载机器人文件FANUC.GSD，并拖入到PROFIBUS总线上成为该总线上的节点，这样就可以对它进行硬件组态了，为它分配合适的站号，设置输入缓冲区设为10个Byte，而输出缓冲区设为8个Byte[5]47-51。

4.2 机器人软件调用

在机器人上电自检之后，如正常将会发出一个CMDENBL使能信号告诉PLC机器人已经处于待命状态可以接受命令了，PLC将该机器人的分段舞蹈动作程序号以PNS方式进行编码，PNS1到PNS8可以组成0到255共256个程序编号，即一台机器人最多可以执行256个舞蹈动作，同时PLC发送PNSTROBE信号，该信号可以使PNS信号处于可使用状态，30毫秒之后机器人进入到处理PNS程序号的阶段，然后机器人返回给PLC一个SN0信号，与PNS信号一样，SN01到SN08也组合成了256种组合，返回给PLC相对应的PNS编号，PLC端可以将发送的PNS号和返回的SNO号进行比对，以判断机器人当前被调用的PNS程序段是否正确，在机器人确定PNS信号无误之后，发出应答信号SNACK告知PLC该信号已经被正确接受，至此信号握手阶段结束，PLC端就可以正式调用机器人的PNS舞蹈动作程序了，此时往机器人发送一个PROD_START信号以正式启动该段舞蹈程序，值得注意的是该信号需要以脉冲的形式发送，因为机器人接受的是该信号的上升沿，这样才可以调用下一次PNS信号，在32毫秒之内机器人会发往PLC一个PROGRUN信号，告诉PLC当前的PNS信号正在被调用，这样PLC端可以时刻监控机器人是否在调用正确的舞蹈动作，以及调用每一段PNS程序时所有的状态，图6为PNS调用时序图[6]43-45。

图6 PNS调用时序图

4.3 使用机器人示教盘编程

机器人的动作编排，需要在机器人专用的编程器-TP示教盘上进行，由于是使用了工业机器人来完成高难度的人性化舞蹈动作，因此对机器人的软件、硬件要非常熟悉，工业机器人原本是用来完成搬运、喷涂、电焊等相对简单的动作，走的多数是直线或者略带弧线的直线，比如要完成一个简单的画圆动作需要分割成几个圆弧拼接起来完成一个圆，而且效果上看它并不是在画圆而是在画弧形，且每画完一个弧形都有一个停顿动作。在本案例中，尽量避免画圆动作，在编排非重复性舞蹈动作时采用TP示教盘编程[6]32-36。

4.4 位置寄存器的使用

在拟人的舞蹈动作中，有大量的重复而对称性的动作，比如在茉莉花舞剧中，2台拨浪鼓小机器人的开场白就有左右摇头、上下点头的动作，为了动作完全对称就应该使用位置寄存器来寄存机器人的动作，先使用示教模式将动作记录下来，待调试效果满意后再使用寄存器模式，首先要让位置寄存器寄入机器人的位置点，在示教完动作后，进入位置寄存器的画面，按“Shift+Record”记入当前示教的点，采用PR[]，使之反复执行某一段动作。在本案例中，重复对称的舞蹈都使用该编程方法，从而达到非常满意的效果。

4.5 OVERRIDE的使用

在整个机器人集体舞蹈节目过程当中，除了系统集成上的难点之外，还有另外一个问题就是机器人的舞蹈节奏，由于工业机器人的局限性，制作出来的效果往往是不理想的，有时是动作编排的美观性有问题，有时是动作的时效性问题，最多的是和舞台节目的音乐节奏、追光灯匹配不上，有的节目需要舒缓流畅的节奏，有的剧目需要惊险刺激的效果，为了解决这个问题，应从两个方面来解决，既要靠不断摸索积累经验，也要合理地使用OVERRIDE的功能。它的主要功能是为一段程序段设置四种速度，在实际使用中，可以按照舞台音乐、追光灯以一定的速度编好一段舞蹈动作，以此为基础可以调整速度，这样再加上经验大致就和音乐接拍了。OVERRIDE是在示教盘TP上设置的，它共有2个信号位，共四种速度百分比组合。在本案例中，通过该方法为每套节目分配不同的速率以满足不同的节目舞蹈风格达到了良好的效果。