CN104708517A - 基于机器人操作系统ros的工业机器人自动磨抛系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，包括1台6自由度工业机器人、1套工业机器人控制系统、4台具有不同砂带与砂轮粒度的抛光机、1套抛光机的PLC控制系统。工业机器人控制系统包括工控机、多轴运动控制卡、伺服驱动器、示教器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接多轴运动控制卡和示教器，多轴运动控制卡通过数字输入输出接口连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接抛光机的PLC控制系统，并使用Modbus协议与之通讯，发送控制指令或获取设备状态。工控机与示教器上均安装Ubuntu操作系统与机器人操作系统ROS，并在工控机上安装Moveit，使用Qt分别为工控机与示教器开发了相应的程序。

Description

基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统
技术领域
本发明属于自动化加工领域，具体涉及一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，主要用于对卫浴水龙头、水暖装饰件、五金产品等零件的加工。
背景技术
在制造业中，铸造零件的砂光与加工零件的抛光是零件成型中的重要工序，目前一般是用人工在抛光机上抛光，人工加工的产品一致性差，并且在抛光过程中会产生大量粉尘，严重影响到工人的身心健康，并且随着工人体力的消耗，加工效率也会越来越低。为了解决以上问题，越来越多的企业开始在生产中使用工业机器人，以完成这种重复性高、对工人健康有危害的工作。
目前工业机器人在结构设计、电气系统设计、控制系统设计等方面的技术已经非常成熟，已经大量投入了自动化生产中，但是为工业机器人编写软件这一工作却越来越复杂繁重。不同的应用环境对软件系统有着不同的要求，这对软件的易用性、开发效率、代码可重用性等提出了较高的要求，而机器人操作系统ROS正可以满足这样的需求。ROS并不负责计算机进程的管理与调度，实际上它是一系列运行在计算机操作系统上的软件工具集。ROS的核心功能是提供一种点对点的软件通讯机制，基于这种机制，开发人员可以非常灵活和高效的组织机器人的软件系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，包括1台6自由度工业机器人、1套工业机器人控制系统、抛光机、抛光机PLC控制系统；其中工业机器人控制系统包括作为主控机的工控机、多轴运动控制卡、伺服驱动器、示教器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接多轴运动控制卡和示教器，多轴运动控制卡通过数字输入输出接口分别连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接抛光机PLC控制系统，工控机与示教器上均包括Ubuntu操作系统与机器人操作系统ROS，工控机上包括机器人操作和轨迹规划平台；
所述的6自由度工业机器人用于夹持待抛光工件，与抛光机配合完成抛光任务；
所述的示教器与工控机连接，将操作人员对机器人与抛光机的控制指令发送给工控机；
所述的工控机实现示教器与多轴运动控制卡之间命令与数据的传递，将示教器发送过来的机器人与抛光机控制指令，分别发送给多轴运动控制卡与抛光机PLC控制系统，使机器人与抛光机做出期望运动，同时将机器人与抛光机的状态信息反馈给示教器；并在其外接显示器上实时显示机器人的运动；
所述的多轴运动控制卡分别与工控机、伺服驱动器相连，根据接收到的工控机控制指令，向伺服驱动器发送相应控制信号，同时将由伺服驱动器中获取到的位置信息反馈给工控机；伺服驱动器接收多轴运动控制卡的控制信号，控制伺服电机运动，从而使工业机器人按照操作人员的指令运动。
上述自动磨抛系统中，使用4台具有不同砂带与砂轮粒度的抛光机，抛光机的控制通过PLC实现。
所述的工控机使用ROS中的话题(Topic)实现工控机上节点(Node)与示教器上节点(Node)的通讯，工控机获取示教器传递过来的工业机器人示教指令，并将工业机器人的当前状态与位姿传递给示教器。
所述的工控机通过socket向多轴运动控制卡发送各关节运动的目标位置，并实时获取各关节的当前位置，通过使用Moveit！中的运动学算法求得工业机器人末端的当前位姿，使用ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动。
所述的示教器通过摇杆控制工业机器人实现关节空间与笛卡尔空间的示教运动，并记录各个示教点。
所述的示教器使用ROS中的话题(Topic)实现示教器上节点(Node)与工控机上节点(Node)的通讯，将示教程序中的目标运动位姿，或者示教点的坐标发送给工控机，从工控机获得工业机器人的当前状态与位姿。
本发明的有益效果：
1、本发明不再使用Windows作为操作系统，而是选择Ubuntu作为操作系统，并使用机器人操作系统ROS作为工业机器人的软件开发平台，充分利用ROS中代码的开源性与可重用性，提高开发效率；
2、本发明工控机上，安装了机器人操作和轨迹规划平台Moveit！，以及三维可视化工具Rviz，Moveit！包含有运动规划程序，正逆运动学程序等功能，Rviz以三维形式实时显示机器人的运动，这些程序模块的引入，都极大的降低了为系统中工业机器人开发软件的难度；
3、本发明示教器上也移植有Ubuntu操作系统，并使用机器人操作系统ROS作为示教器的软件开发平台，充分利用ROS中的通讯功能，方便的实现与工控机交互。
附图说明
图1是本发明自动磨抛系统的结构框图。
图2是本发明工控机与PLC使用Modbus TCP的网络通讯模式。
图3是本发明工控机与PLC通讯使用的Modbus TCP数据包结构。
图4是本发明工控机与示教器程序中所用到的节点与话题。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
附图1为本发明自动磨抛系统的结构框图，主要包括：1台6自由度工业机器人、1套工业机器人控制系统、4台具有不同砂带与砂轮粒度的抛光机、1套抛光机的PLC控制系统。工业机器人控制系统包括作为主控机的工控机、多轴运动控制卡、伺服驱动器、示教器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接多轴运动控制卡和示教器，多轴运动控制卡通过数字输入输出接口连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接抛光机的PLC控制系统，并使用Modbus协议与之通讯，发送控制指令或获取设备状态。
附图2为工控机与PLC使用Modbus TCP的网络通讯模式，工控机作为通讯的客户端，PLC作为通讯的服务器端。工控机向PLC发送读写寄存器的请求，PLC针对接收到的请求，做出相应处理后，向工控机发送相应的应答信息，通讯中数据包的结构如附图3所示。
基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统工作流程如下：
(1)示教器将操作人员对抛光机的控制指令发送到工控机，工控机将该指令转发给抛光机PLC控制系统，该控制系统控制抛光机做出相应运动；
(2)示教器将操作人员对工业机器人的控制指令发送到工控机，工控机将该指令转发给多轴运动控制卡，多轴运动控制卡通过伺服驱动器控制工业机器人实现操作人员期望的运动；
(3)在抛光机和工业机器人运动过程中，工控机读取抛光机PLC控制系统与多轴运动控制卡反馈回来的抛光机与机器人的状态信息，并将这些信息转发给示教器，同时在外接显示器上实时显示工业机器人的运动；
工控机与示教器上均安装Ubuntu操作系统与机器人操作系统ROS，并在工控机上安装Moveit！(一种机器人操作和轨迹规划平台)，使用Qt分别为工控机与示教器开发了相应的程序。
使用Qt为工控机开发的程序，包括如下功能：
(1)使用ROS中的话题(Topic)实现工控机上节点(Node)与示教器上节点(Node)的通讯，工控机获取示教器传递过来的工业机器人示教指令，并将工业机器人的当前状态与位姿传递给示教器；
(2)通过socket向多轴运动控制卡发送各关节运动的目标位置，并实时获取各关节的当前位置，通过使用Moveit！中的运动学算法求得工业机器人末端的当前位姿，使用ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动；
(3)使用Modbus TCP与PLC控制器通讯，发送控制指令或获取设备状态，从而控制抛光机在不同的抛光阶段做出相应的运动；
使用Qt为示教器开发的程序，包括如下功能：
(1)编写示教程序、逐条执行示教程序；
(2)可以通过摇杆控制工业机器人实现关节空间与笛卡尔空间的示教运动，并记录各个示教点；
(3)使用ROS中的话题(Topic)实现示教器上节点(Node)与工控机上节点(Node)的通讯，将示教程序中的目标运动位姿，或者示教点的坐标发送给工控机，并且可以从工控机获得工业机器人的当前状态与位姿；
附图4为工控机与示教器程序中所用到的节点与话题。Pendant_Interface为运行在示教器上的节点，将不同的示教指令以话题/command传递给工控机。Coordinator、move_group、PMAC_Interface为运行在工控机上的节点，节点Coordinator接收来自示教器节点Pendant_Interface的话题/command，分析该话题中包含的示教指令，如果该示教指令为关节运动指令，则将该指令中的关节目标值以话题/target发送给节点PMAC_Interface；如果该示教指令为笛卡尔运动指令，则将该指令中的末端目标位置以话题/command_old发送给Moveit！内部的节点move_group，经过逆运动学运算后，得到各个各个关节的目标位置，以话题/command_new返回给Coordinator，Coordinator再将该目标值以话题/target发送给PMAC_Interface。PMAC_Interface负责与多轴运动控制卡通讯，将各关节的目标运动位置发送给多轴运动控制卡，由其控制各关节伺服电机的运动，以使工业机器人实现期望的运动；PMAC_Interface将由运动控制卡处实时获得的各关节的位置以话题/joint_states发送给节点move_group，经过正运动学运算，得到工业机器人末端的当前位姿，Moveit！将使用该位姿设置Rviz中所显示的工业机器人的姿态。Coordinator从move_group获得各关节位置后，通过话题/feedback将工业机器人当前的状态返回示教器上的节点Pendant_Interface，由其通知示教器上负责显示的程序模块，将相应的值显示在屏幕上。

Claims (6)

1.一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：包括1台6自由度工业机器人、1套工业机器人控制系统、抛光机、抛光机PLC控制系统；其中工业机器人控制系统包括作为主控机的工控机、多轴运动控制卡、伺服驱动器、示教器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接多轴运动控制卡和示教器，多轴运动控制卡通过数字输入输出接口分别连接伺服驱动器、传感器和控制开关；工控机通过以太网接口连接抛光机PLC控制系统，工控机与示教器上均包括Ubuntu操作系统与机器人操作系统ROS，工控机上包括机器人操作和轨迹规划平台；
所述的6自由度工业机器人用于夹持待抛光工件，与抛光机配合完成抛光任务；
所述的示教器与工控机连接，将操作人员对机器人与抛光机的控制指令发送给工控机；
所述的工控机实现示教器与多轴运动控制卡之间命令与数据的传递，将示教器发送过来的机器人与抛光机控制指令，分别发送给多轴运动控制卡与抛光机PLC控制系统，使机器人与抛光机做出期望运动，同时将机器人与抛光机的状态信息反馈给示教器；并在其外接显示器上实时显示机器人的运动；
所述的多轴运动控制卡分别与工控机、伺服驱动器相连，根据接收到的工控机控制指令，向伺服驱动器发送相应控制信号，同时将由伺服驱动器中获取到的位置信息反馈给工控机；伺服驱动器接收多轴运动控制卡的控制信号，控制伺服电机运动，从而使工业机器人按照操作人员的指令运动。
2.如权利要求1所述的一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：上述自动磨抛系统中，使用4台具有不同砂带与砂轮粒度的抛光机，抛光机的控制通过PLC实现。
3.如权利要求2所述的一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述的工控机使用ROS中的话题(Topic)实现工控机上节点(Node)与示教器上节点(Node)的通讯，工控机获取示教器传递过来的工业机器人示教指令，并将工业机器人的当前状态与位姿传递给示教器。
4.如权利要求1或2或3所述的一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述的工控机通过socket向多轴运动控制卡发送各关节运动的目标位置，并实时获取各关节的当前位置，通过使用Moveit！中的运动学算法求得工业机器人末端的当前位姿，使用ROS中Rviz工具实时显示工业机器人的运动。
5.如权利要求1或2或3所述的一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述的示教器通过摇杆控制工业机器人实现关节空间与笛卡尔空间的示教运动，并记录各个示教点。
6.如权利要求1或2或3所述的一种基于机器人操作系统ROS的工业机器人自动磨抛系统，其特征在于：所述的示教器使用ROS中的话题(Topic)实现示教器上节点(Node)与工控机上节点(Node)的通讯，将示教程序中的目标运动位姿，或者示教点的坐标发送给工控机，从工控机获得工业机器人的当前状态与位姿。
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