基于“云边端”架构的直角机器人控制系统设计.pdf

2024 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基 金 项 目:广 东 省 重 点 建 设 学 科 科 研 能 力 提 升 项 目(2022ZDJS148);广东科技学院自然科学科研项目(GKY-2022KYYBK-11);广东科技学院机器人工程特色专业项目(GKZLGC202105)收稿日期:2023-07-28基于“云边端”架构的直角机器人控制系统设计王 丹1,2,杨子君31.广东科技学院机电工程学院;2.东莞市智能制造与环境监控工程技术研发中心;3.深圳市赛诺梵科技有限公司 摘要:为了满足直角坐标机器人控制系统对通用性和工业数字化的需求,设计了基于“云边端”架构的直角机器人通用控制系统。首先根据提炼的系统通用功能,提出采用“云边端”架构的总体方案;其次,以架构为基础,以实现基本功能为目标,以低代码技术作为编程手段,从设备端、边缘端、云平台端三方面分别进行设计。最后搭建实验平台,对“直角机器人搬运控制系统”设计目标进行验证,证明了采用“云边端”工业互联网架构的通用控制系统具有可行性和工业数字化的特点,同时可提高控制系统设计效率。关键词:云边端架构;机器人;控制系统;低代码;通用性;工业数字化中图分类号:TP23 文献标识码:AControl System Design for Cartesian Robot Based on“Cloud-Edge-End”ArchitectureWANG Dan1,2,YANG Zijun31.School of Mechanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Science and Technologly;2.Dongguan Research and Development Center of Intelligent Manufacturing and Environmental MonitoringEngineering Technology;3.Shenzhen Cynovan Technology Co.,Ltd.Abstract:To meet the demand for universality and industrial digitization in the control system of a cartesian coordinate ro-bot,a general control system for cartesian coordinate robots based on the“cloud-edge-end”architecture was designed.Firstly,based on the public functions of the refined technique,the overall scheme of adopting the“cloud-edge-end”architecture was pro-posed.Secondly,the design based on the architecture to realize the essential functions and using the low-code technology as the programming means was carried out from the device-side,edge-side,and cloud-side respectively.Finally,an experimental platform was set up to verify the design objectives of the right-angle robot handling control system.It is proved that the general control sys-tem adopting“cloud-edge-end”industrial internet architecture is feasible and has the characteristics of industrial digitization while also improving the efficiency of control system design.Keywords:cloud-edge-end architecture;robots;control system;low code;universality;industrial digitization0 引言直角坐标机器人是典型的串联机器人,运动方向分别为两两垂直的 X、Y、Z 轴,因其结构简单,行程大,精度较高,在码垛、分拣、搬运、雕刻、点胶、钻孔等多种自动化场合广泛使用。目前市场上直角机器人控制系统设计存在编程周期长与难度较大的问题,制约了直角机器人的进一步推广与应用。同时随着工业智能化的发展,对自动化设备有了数据采集、实时监控、远程控制等工业数字化方面的需求,而现有的控制系统不能满足工业大数据的发展需求。因此,开发通用的具有工业数字化特点的智能系统具有实践意义。在通用化控制系统设计方面,梁艳阳等1设计了基于 PLCopen 标准的工业机器人运动控制系统软件框架,能够实现机器人的运动学求解与插补运动。王千龙等2基于 DSP 研制了通用型电机数字控制系统,主要用在教学与电机参数验证方面。冯思敏3针对服务型机器人,基于 C+语言采用模块化方法设计了通用控制系统,提高了服务机器人控制系统软件的重用性,降低了研发成本。谢明友4采用 Windows 软件开发平台,设计了工业机器人的通用型控制系统及视觉伺服系统,并通过手动示教及视觉伺服实验验证了通用型控制系统的良好性能。郑周荣5针对 AGV 机器人,开发了通用的 AGV 中央控制系统软件内核,实37 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期现了系统的便捷部署、安全高效和直观监控。在工业数字化方面,国内外制造企业做了较多研究,推出了工业互联网平台,包括美国 GE 公式推出的 Predix 工业互联网平台6,德国西门子公司推出的 Mind-sphere 平台7,国内的海尔 COSMOPlat 平台8等。曹思佳等9利用工业互联网的架构提出了船用燃气轮机健康管理平台的总体架构,实现设备的状态检测、故障分析等重要功能,为用户了提供决策支持。李智等10针对化纤行业的质量检测难题,提出了基于工业互联网“端-边-云”协同计算架构的智能解决方法,对工业互联网在化纤行业的应用提供了参考依据。张充等11分析了数字时代背景下钢铁行业安全需求,构建了“工业互联网+钢铁厂安全生产”管控系统架构,对促进钢铁行业的信息融合有参考价值。朱万浩等12采用工业物联网技术对造纸废水控制系统进行了升级改造,实现了设备端的远程监控。单玉忠等13将边缘计算引入工业互联网平台,构建了核电工业互联网协同架构,实现了工业数据实时传输,对制造企业的数字化转型有重大意义。本文通过调研直角坐标智能制造设备通用系统开发现状与工业互联网平台在制造业的应用效果,从直角机器人控制系统通用化与数字化14-15的实际需求出发,进行基于“云边端”架构的直角坐标机器人通用控制系统设计与实现。1 系统总体方案基于“云边端”工业互联网架构的直角机器人通用控制系统总体方案设计包括两方面的内容,分别是提炼通用控制系统基本功能与搭建通用系统的互联网架构。1.1 通用系统基本功能分析基于直角坐标机器人结构16,可知直角坐标机器人的直线运动轴间为直角。根据基于直角坐标的点胶机、锁螺丝机、分拣机、摆盘机、激光打标机等自动化设备,总结功能完备的控制系统一般分为用户层、控制层和设备层,如图 1 所示。图 1 智能装备控制系统结构简图分析图1 可知,设备层是硬件端,通用的硬件设备包括传感器、驱动器、电机和负载等部分。控制层是连接用户层和设备层的纽带,对控制系统起核心支撑作用。从用户层分析,直角机器人通用控制系统基本功能主要包括手动模式、参数设置、状态监控和日志模式。1.1.1 手动模式由于自动化设备在加工工件时,因工件种类变化或工艺流程变化,需要操作人员能够在现场根据实际情况示教操作点的位置、修改操作方式等,因此自动化设备需要具有手动模式。手动模式中运动方式主要有3 种,分别是通用的定步长点位运动、速度可调的点动模式与各轴回零运动。1.1.2 参数设置根据机器人控制器的结构,从电机轴控参数与 IO控制参数 2 个方面提供接口供用户根据实际情况修改。轴控参数主要包括伺服参数、运动参数等,IO 控制主要包括电平设置、IO 口配置等。1.1.3 状态监控状态监控是为了让用户在使用时实时掌握设备的情况,主要是 IO 接口状态和电机状态。IO 接口方面有通用数字量输入与输出监测与控制。电机状态主要有正负限位、伺服报警、运行状态、回原点监控等。1.1.4 日志模式日志模式主要用来记录自动化设备的生产、维修、调试等历史情况,为制定生产任务、优化控制系统提供依据。由于本文采用工业互联网的架构设计控制系统,设备的所有参数均可在云平台中获取,因此该部分只需重点记录报警信息即可。1.2 通用系统工业互联网架构借鉴已有的工业互联网平台架构,根据通用控制系统基本功能的总结,提出基于“云边端”工业互联网的通用系统架构。如图2 所示,该架构包括设备端、边缘端和云平台端。图 2 通用系统工业互联网架构由图2 可知,本文采用的是将控制、监控等功能从47 第 2 期王丹等:基于“云边端”架构的直角机器人控制系统设计 云平台端拓展到边缘端中实现的工业互联网体系。该体系具有边缘计算系统的低延时、低成本的特点,也具有云平台大数据分析的特点。设备端主要包括直角坐标机器人结构模块与设备物联客户端。结构模块负责完成工业任务,设备物联客户端能够立即将机器人设备的信息连至云平台端和边缘端,实现多向交互。边缘端主要是边缘计算系统,提供编写机器人控制程序、采集设备状态、数据统计与监控、设备可视化等本地计算服务。云平台端主要是工业云平台管理端,为用户提供通用系统的设备状态、设备接入、管理、数据解析等功能。综上,通过搭建基于“云边端”工业互联网的直角机器人通用控制系统架构可知,设计的通用控制系统需要具备如下特点:1)适用于直角坐标机器人工作站或直角坐标自动化智能装备;2)具备远程手动控制机器人功能,包括手动点位示教、手动点动示教、手动多轴回零;3)具备远程状态监控、参数配置、异常报警和数据记录等功能;4)涉及具体工艺流程的自动模块预留。根据搭建的架构可知,实现通用系统设计需要对设备端、边缘端和云端分别进行。2 通用系统具体方案设计2.1 设备端设计设备端负责执行工业任务,直角坐标机器人控制系统常规设计方案是根据设备功能需求在控制器中采用 C+、C#、LabVIEW 等语言设计程序,控制器经过计算、规划等转换成控制指令,发送给驱动器后控制电机轴在工作空间中运行,完成设计的任务。本文采用“云边端”三位一体的架构设计控制系统,此时的控制规划由边缘端和云端实现,设备端仅需完成各结构的参数配置即可。常见的设备端参数配置包括控制器、电机、IO 端参数配置,具体细分如图 3 所示。图3 中,标#的环节表示互联网模式下特有的参数设置,标的环节为传统方式与互联网模式混合的参数设置环节,未标与#的环节表示与传统设计方式完全相同的参数配置方式。在工业互联网架构下的设备端需要通过工业物联客户端和云平台端、边缘端进行信息双向交互,本文采用 Triton 客户端,有 3 种方式可供选择,分别是通过 Socket、使用 Modbus 协议和集成 Triton 外部库。由于集成 Triton 库是采用 C/C+动态链接库,支持所有图 3 设备端设计主要内容版本的操作系统,因此本文采用该方式进行工业设备客户端的部署工作。图4 为互联网模式下特有的设备物联客户端参数设置流程图。图 4 设备物联客户端参数设置流程图云平台识别硬件设备的方式是通过设备的唯一识别码 uuid 进行识别,而 uuid 由用户在云平台中创建设备时自动生成或手动输入获得。用户在云平台管理设备需要团队令牌 token,在云平台的团队信息中获得。在客户端配置指令如下指令即可:triton-G uuid=uuid;token=token triton.toml其中 uuid、token 为上一步骤记录的序列号及令牌值,也可直接在 Triton 配置文件中修改。2.2 边缘端设计边缘端是将云平台端的部分计算、存储、数据分析等任务迁移过来,减少云平台端的延时与计算压力。本文将控制程序在边缘端进行设计,采用低代码语言编写后推送至设备端。低代码编程的基本思路是根据低代码组件的功能,将其拖拽到编辑界面中相57 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期应的位置,完成工艺流程的过程。不同的低代码厂家提供的组件外观不同,但在工业领域的低代码具备的功能大体类似,主要分为 2 类:基础组件和功能块组件。基础组件主要负责开始、选择判断、子程序、功能结束等流程类任务;功能块组件主要负责变量设置、延时、等待、电机轴设置、轴运动等功能实现。在边缘端设计控制程序之前,需要先在用户提供的服务器上安装边缘计算系统,通过访问部署在服务器上的地址访问边缘计算系统。本文采用低代码技术在边缘系统进行程序设计,与传统编程方式对比,具有高效、可视化、易维护等优点,图5 为采用低代码、C+语言控制系统程序设计流程对比。图 5 控制系统程序设计流程对比由图 5 可知,两种语言在进行控制系统程序设计时,第 1 步制定 IO 分配表的过程是相同的,在第 2 步和第3 步存在差异。根据系统总体方案中通用控制系统基本功能可知,直角坐标机器人通用控制系统包括四部分功能,采用低代码编写,只需要参数配置和流程图编写即可实现,而采用 C+语言需要编写函数实现。图6 为回零功能程序和部分变量配置在边缘端的设计内容图。2.3 云平台端设计云平台端是指云平台管理端,所有对设备的管理均在云平台端进行。在云平台端对设备进行管理之前,需要在云平台上创建一个与真实设备对应的虚拟设备,即云平台通过对虚拟设备进行管理从而实现对真实设备的管理。本文创建虚拟设备通过 Web 浏览器登录 Neptune 云平台创建并接入。(a)1 轴回零(b)变量配置图 6 边缘端设计内容图云平台设备管理的功能较多,本文根据通用控制系统需求,只需设备状态和视图应用 2 个功能即可。设备状态主要用来监控设备端与云盘连接状态,分为在线和离线 2 种情况。设备端与云平台端正常连接时,即在线时,在云平台端可以监控设备运行是否正常,是否有报警等情况。如果想要更加形象和直观地监控设备端,需要用云平台端的视图应用功能,即在云平台端搭建可视化界面,通过可视化界面实现对设备端的远程监控。根据前述分析可知,云平台端的视图界面需要包括手动模式、参数设置、状态监控和日记模式。图 7 为手动模式和电机轴状态监控的截图。(a)手动控制模式(b)状态监控之轴状态图 7 手动模式和电机轴状态监控图由图 7 可知,云端可视化界面的标签页列出了远程监控的内容。其中首页为自动模式,在通用控制系67 第 2 期王丹等:基于“云边端”架构的直角机器人控制系统设计 统中保留位置,在实际项目中根据实际的控制需求进行补充。3 实验验证以“云边端”为系统架构,以直角坐标机器人为实验对象,以搬运工件为工作目标,搭建实验平台。实验平台主要实现的功能为:直角坐标机器人将流水线上的物料搬运至放料料仓中。主要硬件设备包括1 套控制器,3 套伺服驱动器、伺服电机和直线模组,1 套步进驱动器和步进电机,1 套设备物联客户端,1 套边缘系统,1 个工业云平台。设备端设计主要包括3 种类型的配置,分别是:类型 1(与传统设计方式完全相同的参数配置方式)、类型 2(传统方式与互联网模式混合的参数配置方式)、类型 3(互联网模式下特有的参数配置方式)。根据实验平台的硬件组成,对设备端的参数进行配置,如图 8所示。(a)类型 1 部分参数配置截图(b)类型 2 部分参数配置截图(c)类型 3 部分参数配置截图图 8 设备端设计内容图由于通用控制系统基本功能已经搭建完成,此时边缘端只需要增加具体案例“机器人搬运控制系统”的自动模式的程序即可。自动模式的主要工作流程为:1)推料气缸将物料从存料料仓中推出至流水线上;2)流水线将物料运送至指定位置,该位置由拦料工序确定;3)机器人启动取料工序,将物料放置到放料料仓。图9 为自动模式主程序和拦料工序子程序在边缘端的设计内容。(a)主程序(b)子程序:拦料工序图 9 边缘端低代码设计内容图由图 9 可知,主程序分别调用 3 个子程序,实现机器人自动模式的功能。图 9(a)是主程序分别调用 3个子程序实现 3 个工序的过程,图 9(b)是 1#推料工序的执行过程。图中可视化的功能模块是已经封装好的模块,从工具栏中找到并放置到合适位置,并进行参数设置即可。机器人搬运系统的自动模式需要在云端利用视图应用功能,对首页进行补充。图10 为云平台监控系统首页的可视化界面。图 10 云平台端设计内容图由图10 可知,当在云平台端的可视化界面按下启动暂停、复位和清除报警按钮之后,机器人搬运系统自动模式分别远程开启、暂停、复位和清除报警,同时77 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期记录工作时间、完成搬运物料进度,显示系统状态等。4 结束语本文采用“云边端”工业互联网架构设计了直角机器人通用控制系统,首先根据直角机器人控制系统的特点,总结通用系统具备的基本功能,包括手动模式、参数设置、状态监控和日志模式 4 部分,并根据工业互联网模型,提出了基于“云边端”三位一体的直角机器人通用控制系统架构。其次,根据通用系统的基本功能分别从设备端、边缘端、云平台端3 方面对通用系统进行设计。其中设备端设计主要包括硬件设备参数和与边缘端、云平台端通信的通信参数配置。边缘端设计主要采用低代码技术设计功能程序,云平台端设计主要利用云平台的设备状态和视图应用2 个功能实现对通用系统远程监控的模型搭建。最后搭建实验平台,对实际案例“直角机器人搬运控制系统”进行验证,证明了通用系统具有可行性和工业数字化的特点,对直角坐标类的智能装备控制系统具有普适性,可提高控制系统效率。参考文献:1梁艳阳,吴伟,姚超智,等.基于 PLCopen 标准的工业机器人运动控制器的设计与实现J.现代制造工程,2021(12):35-40.2 王千龙,蒋伟,蒋步军,等.通用型电机数字控制实验平台J.实验技术与管理,2020,37(2):90-94.3 冯思敏.自主研发服务型机器人的通用控制系统研究与实现D.兰州:兰州理工大学,2021.4 谢明友.面向工业机器人的通用型控制系统及视觉伺服研究与实现D.广州:华南理工大学,2021.5 郑周荣.通用 AGV 中央控制系统软件内核的设计与实现D.南京:东南大学,2021.6 範靈.GE 公司的数字化转型J.航空动力,2018(3):13-15.7 马子惠,李芳慧,司建楠,等.欧盟数字平台建设的典型案例和经验J.工业信息安全,2022(6):90-95.8 杨洋,张孟迪,胡佳宁.海尔生态平台及其战略分析J.现代商业,2022(24):6-8.9 曹思佳,胡汀,唐瑞,等.基于工业互联网的船用燃气轮机健康管理平台J.热能动力工程,2022,37(5):180-186.10 李智,郑广智,张敏喆,等.基于“端边云”协同架构的垂直行业工业互联网应用范式:以化纤工业智能体为例J.新型工业化,2023,13(6):12-18.11 张充,张伟,张建荣,等.“工业互联网+钢铁厂安全生产”管控系统架构研究J.中国安全生产科学技术,2023,19(4):5-13.12 朱万浩,章盼梅,孔令棚.基于工业物联网的造纸废水控制系统升级改造J.仪表技术与传感器,2022(3):63-67.13 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