1、引言
2010年，德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出“工業(yè)4.0”的概念，即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過(guò)充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。所以，近些年許多工業(yè)自動(dòng)化廠商將自己的產(chǎn)品研發(fā)所考慮的一個(gè)重要方向定在是否能被遠(yuǎn)程控制。另一方面，隨著國(guó)內(nèi)人工成本的不斷上升以及工廠人員流動(dòng)的不確定性，
機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是近幾年，相信也是未來(lái)幾年的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。所以對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在工廠生產(chǎn)中的遠(yuǎn)程控制，是一個(gè)機(jī)器人集成方面比較不錯(cuò)的課題。我們知道，在工業(yè)機(jī)器人的隊(duì)伍中，UR機(jī)器人是第一家在工業(yè)環(huán)境下工作的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，它以輕便、簡(jiǎn)單、安全著稱。下面我們就來(lái)了解一下如何實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)UR機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。
2、UR機(jī)器人提供的基于TCP/IP協(xié)議的接口
TCP/IP協(xié)議源于1969年，是針對(duì)Internet開(kāi)發(fā)的一種體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目的在于解決異種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題。使得網(wǎng)絡(luò)在互聯(lián)時(shí)能為用戶提供一種通用、一致的通信服務(wù)。是Internet采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。基于TCP/IP的通訊具有成本低、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、性能高等特點(diǎn)，所以現(xiàn)在許多工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品都具有基于TCP/IP協(xié)議通訊的接口，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。UR機(jī)器人在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，提供了豐富的接口用于與外部設(shè)備的交互，如表1所述。
有了這些接口，上位機(jī)就可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。如圖1，簡(jiǎn)單描述了上位機(jī)對(duì)UR機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)圖。
圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)圖
下面我們就來(lái)介紹UR機(jī)器人所提供的相關(guān)通訊接口，從而遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。
3、ModbusTCP端口
MODBUS是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類(lèi)型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。自從1979年出現(xiàn)工業(yè)串行鏈路的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，MODBUS使成千上萬(wàn)的自動(dòng)化設(shè)備能夠通信。目前，繼續(xù)增加對(duì)簡(jiǎn)單而雅觀的MODBUS結(jié)構(gòu)支持。互聯(lián)網(wǎng)組織能夠使TCP/IP棧上的保留系統(tǒng)端口502訪問(wèn)MODBUS。MODBUS是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。MODBUS功能碼是MODBUS請(qǐng)求/應(yīng)答PDU的元素。
UR機(jī)器人既可以作為ModbusTCP服務(wù)器，也可以作為ModbusTCP客戶端，兩者的主要區(qū)別在于消息請(qǐng)求方的不同。在此，我們僅討論UR機(jī)器人作為ModbusTCP服務(wù)器的情況，如圖2所示。
圖2 Modbus TCP服務(wù)器
既然UR機(jī)器人作為Modbus TCP服務(wù)器，它必定有一系列Modbus地址供上位機(jī)來(lái)訪問(wèn)。如表2所示。
通過(guò)UR機(jī)器人的相關(guān)Modbus地址，我們可以訪問(wèn)機(jī)器人的很多信息，進(jìn)而可以把這些信息放到上位機(jī)上。下圖就是通過(guò)訪問(wèn)Modbus地址，模仿Polyscope(UR機(jī)器人原版軟件），制作出來(lái)一個(gè)界面，當(dāng)然我們可以通過(guò)這個(gè)界面監(jiān)控并控制機(jī)器人的所用IO。
圖3 IO控制
4、Dashboard端口
上位機(jī)可以通過(guò)29999端口直接發(fā)送一些簡(jiǎn)單的指令給機(jī)器人，這些指令是UR自己定義的，這種功能被稱為Dashboard。下表就是Dashboard的指令列表。
顯而易見(jiàn)，我們可以通過(guò)一些Dashboard指令，遠(yuǎn)程切換、加載程序，同時(shí)可以啟動(dòng)、暫停、停止程序，這樣上位機(jī)就可以遠(yuǎn)程控制程序了。
5、上位機(jī)編程端口
UR機(jī)器人有3種編程方式：Polyscope編程、腳本編程以及C-API編程。Polyscope編程指的是程序在示教器上被編輯，機(jī)器人然后執(zhí)行，這是UI層的編程方式。C-API編程是在研發(fā)層上的編程方式。我們重點(diǎn)介紹的是腳本編程方式，腳本編程的語(yǔ)言是UR公司在python語(yǔ)言基礎(chǔ)上，自己研發(fā)的URScript語(yǔ)言。URScript是在腳本層上控制機(jī)器人的編程語(yǔ)言，就像其他編程語(yǔ)言一樣，它有變量類(lèi)型，語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、方法等。另外，它有一系列的專用方法來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及IO狀態(tài)。
UR機(jī)器人的控制器是運(yùn)行在Mini-ITXPC上的，一旦PC啟動(dòng)機(jī)器人控制器（就像啟動(dòng)服務(wù)一樣），Polyscope軟件就通過(guò)PC本地的TCP/IP端口與機(jī)器人控制器建立連接了。同樣，當(dāng)上位機(jī)作為客戶端，通過(guò)30001或30002或30003特定的編程端口，與機(jī)器人控制器建立TCP/IP連接，這樣我們就可以在上位機(jī)上按照URScript語(yǔ)言的格式編寫(xiě)腳本程序，直接發(fā)送給機(jī)器人控制器，機(jī)器人就可以直接執(zhí)行程序了。
按照上面所述的機(jī)器人腳本編程原理，我就可以在上位機(jī)上制作如下界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)UR機(jī)器人的遠(yuǎn)程編程。
圖4 腳本編程
6、實(shí)時(shí)反饋端口
30001、30002、30003除了用于遠(yuǎn)程編程外，還有其他功能，如表4所述。
這三個(gè)端口另一個(gè)共同的特點(diǎn)就是，一旦客戶端打開(kāi)端口，就會(huì)按照一定的頻率收到來(lái)自機(jī)器人的信息。需要注意的是30003端口是實(shí)時(shí)反饋端口，客戶端每8ms能收到一次來(lái)自機(jī)器人的信息。另外，通過(guò)測(cè)試，客戶端通過(guò)30001和30002只能每200ms左右收到來(lái)自機(jī)器人的信息。
其實(shí)客戶端通過(guò)這三個(gè)端口收到的機(jī)器人信息也稍有不同。通過(guò)30003端口收到信息是最豐富的，包含了通過(guò)30002收到的信息以及通過(guò)30001收到的大部分信息。
所以說(shuō)通過(guò)實(shí)時(shí)反饋端口，客戶端收到機(jī)器人信息效率是最高的，內(nèi)容也是最全的。通過(guò)實(shí)時(shí)反饋端口每次收到的數(shù)據(jù)包有1044個(gè)字節(jié)，這些字節(jié)以標(biāo)準(zhǔn)的格式排列。注意在極少情況下客戶端會(huì)收到小于1044個(gè)字節(jié)，但是字節(jié)排列的格式不變。表5是1044字節(jié)排列的順序表。
有了這些數(shù)據(jù)，上位機(jī)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)就會(huì)十分豐富。下面有2張上位機(jī)界面圖，“點(diǎn)動(dòng)圖”獲取了關(guān)節(jié)位置、TCP位置；“初始化圖”獲取了關(guān)節(jié)模式、關(guān)節(jié)實(shí)際電流、關(guān)節(jié)電壓以及其他數(shù)據(jù)。
圖5 點(diǎn)動(dòng)圖
圖6 初始化圖
7、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，機(jī)器人作為ModbusTCP服務(wù)器，上位機(jī)通過(guò)502端口可以控制機(jī)器人的所有IO;上位機(jī)可以通過(guò)30001或30002或30003端口遠(yuǎn)程下載程序到機(jī)器人；上位機(jī)通過(guò)29999端口可以遠(yuǎn)程控制程序運(yùn)行狀態(tài)；上位機(jī)通過(guò)30003端口可以實(shí)時(shí)得到機(jī)器人的狀態(tài)信息。也就是說(shuō)，利用UR機(jī)器人開(kāi)放的基于TCP/IP協(xié)議的端口，可以制作自己的Polyscope軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制。
