毕业论文-Motoman机器人下象棋运动控制设计

Motoman 机器人下象棋运动控制设计 III摘 要 随着机器人技术的飞速发展， 多机器人协调特别是双机器人协调已成为当前机器人学研究领域的一个新课题。本文设计了一种适用于双机器人协调下象棋的系统。 文中在对多机器人系统尤其是双机器人系统的研究现状进行详细的分析的基础上，根据所研究的目标搭建了基于Motoman-HP6型双机器人实验系统，对该系统的PC机与控制柜等之间的通讯、机器人控制部分作了详细的阐述，通过双机协调画五角星程序实例验证了双机器人协调控制系统的可行性和稳定性， 并对示教编程的方法做了详细的说明。在此基础上，采用示教编程器编制了象棋运动程序控制机器人运动，完成了取棋子、吃棋子的运动动作，达到机器人协调下象棋的目的，做到双机器人的协调工作，为进一步关于多机器人协调作业相关问题的研究打下基础。 关键词： 双机器人，协调，象棋 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 IVAbstract With the rapid development of robot technology, multi-robot coordination especially the dual-robot coordination has become a new topic in the field of current robotics research. This paper designed dual-robot coordination for the chess system. This paper carried out a detailed analysis on the current study of multi-robot systems in particular the dual-robot system, and also structured an experimental system of dual-robots which based on Motoman-HP6.Meanwhile; the paper described the communications between the PC and Controller, and the control of robots. The feasibility and stability of system are confirmed by WuJiaoXing coordination procedures example, also the paper explained the method of teaching programming. On this basis, programmed the Chess procedures to control the motion of robot by programming box, the system achieved this purpose of, which is controls the robot to moving chess and eating chess The ultimate aim is to achieve dual-robots coordination of the play chess to further work on multi-robot coordination on issues related to laying a foundation. Key words: dual-robot, coordination, chess Motoman 机器人下象棋运动控制设计 V目 录 第一章 前 言 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 国内外多机器人发展概况 .1 1.2.1 多机器人的概况 .1 1.2.2 国外相关技术发展概况 .3 1.2.3 国内相关技术发展概况 .5 1.3 本文的研究内容、方案及步骤 .6 第二章 系统基本组成和性能指标 7 2.1 实验组成框图 8 2.2 MOTOMAN机器人 .9 2.2.1 机器人本体规格 .10 2.2.2 机器人本体优点 .11 2.3 NX100控制柜 .12 2.3.1 NX100 控制柜的技术规格 .12 2.3.2 NX100 的技术优势 13 2.3.3 示教编程器的优点 .13 2.4 系统主要结构特点 .13 2.5 本章小结 .14 第三章 系统通信控制部分 15 3.1 通信 .15 3.1.1 控制柜与机器人之间的通信 15 3.1.2 控制柜之间的通信 15 3.1.3 PC 机与控制柜之间的通信 .17 3.2 MOTOMAN机器人控制 .18 3.2.1 NX100 控制柜的应用 .18 3.2.2 机器人的控制 18 3.3 实例分析 .21 3.4 本章小结 .24 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 VI第四章 系统程序设计 .25 4.1 系统程序设计说明 .25 4.2 示教编程器中示教的程序 .25 4.2.1 视教程序说明 .25 4.2.2 程序名含义清单 .28 4.2.3 棋子坐标表示 .29 4.2.4 示教程序 30 4.3 机器人运动互斥的判断和处理 .30 4.4 本章小结 .31 第五章 实验结果 .32 第六章 结论与展望 .34 6.1 结论 34 6.2 技术经济分析报告 34 6.2.1 技术可行性分析 .35 6.2.2 经济优越性分析 .35 6.3 对进一步研究的展望 .36 参 考 文 献 37 致 谢 .39附 录 .40 声 明 .44 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 1第一章 前 言 1.1 课题背景 在机器人研究的早期，单机器人的结构、运动学、控制和信息处理是研究的重点。随着机器人技术的发展，单个机器人的能力、鲁棒性、可靠性、效率等都有很大提升。但面对一些复杂的、需要高效率的、并行完成的任务时，单个机器人则难以胜任。为了解决这类问题，机器人学的研究一方面进一步开发智能更高、能力更强、柔性更好的机器人；另一方面在现有机器人的基础上，通过多个机器人之间的协调工作来完成复杂的任务。 从 20 世纪 80 年代中期到 90 年代，分布式人工智能和复杂系统的研究工作逐渐开展并活跃起来，一些学者开始研制各种多机器人系统，并将其作为实验平台以进行相关的理论研究和仿真。这些研究的出现将分布式人工智能、复杂系统、社会学、管理学等其他研究领域的理论及方法引入机器人学的研究中，丰富了机器人学研究的内容。而且，这方面的研究通常从系统的角度出发，探讨机器人群体乃至机器人社会的各种组织方式、信息交互方式、进化机制的基本问题，为机器人学的发展提供了一条新的思路。 因此,如何组织由多个机器人构成的群体,以及在这样的群体中如何实现机器人的合作已成为当前机器人学研究领域的一个新热点， 而且多机器人协调与合作作为一种新的机器人应用形式日益引起国内外学术界的兴趣与关注1，2。我们的这个课题正是在这种的背景之下应用电脑来控制机器人运动， 为多机器人的协调合作研究延展一个思路和方法。 1.2 国内外多机器人协调研究发展概况 1.2.1 多机器人协调研究的概况 80 年代以来，多机器人协调作为一种新的机器人应用形式日益引起国内外学术界的兴趣与关注，1987 年在美国圣地亚哥召开的多机器人协调研讨会上，着重提出了多机器人协调研究的主要问题。1989年，国际杂志（ Robotics and Autono- mous System ）专门推出了多机器人协调研究专辑，此外，IEEE的机器人与自动化Motoman 机器人下象棋运动控制设计 2国际会议从1986年起已将多机器人协调研究列为一个专题组，足见对该问题的重视。 在过去的20多年里，人们对多机器人协调控制中的协调和集中、负载分配、运动分解、避碰轨迹规划、操作柔性体等问题进行了大量的研究35。由于多机器人(主要是多机器人臂) 操作物体时形成的闭链系统，存在受限运动以及冗余度控制问题， 因此多机器人协调控制问题十分复杂，但它基本上不涉及系统组织与合作机制等高层的控制问题。在多机器人协调控制中，机器人之间的组织与合作关系已经人为的事先确定了。 从研究的角度看， 多机器人协调研究比单机器人来说出现了许多本质上全新的问题，主要有6，7: (1) 复杂协调任务的描述. (2) 同一工作空间中多机器人协调和集中. (3) 多机器人协调系统的自适应控制. (4) 多机器人协调系统的负载分配. (5) 以多传感器为基础的数据检测和障碍描述. (6) 多机器人协调系统的建模和控制结构的模式. (7) 多机器人坐标间的标定. (8)AI技术和控制系统与多机器人协调系统的结合. 然而多机器人系统协调的实施, 仍然需要人加以控制, 即在协调控制中, 机器人系统的组织与合作关系是事先由设计者人为指定的, 在协调运动过程中一般不变。 其次, 多机器人协调控制通常采用集中规划与控制方式, 要求主计算机系统的能力必须足够强, 以应付大量的在线运算。这样,当机器人数量不多时, 集中控制方式尚可应付, 一旦机器人数量增多, 必将产生瓶颈作用。 另外, 从多机器人的应用背景来看, 在许多情况下机器人面对的是动态的非结构环境, 很多情况下不可能建立精确的环境模型, 当机器人外部环境或动作条件发生变化时, 人们不得不根据变化环境或条件对多机器人协调系统的组织与合作关系进行调整或重新制定, 因此实时性很差。 随着人工智能技术的发展,为了解决上述问题, 人们提出了基于Agent的多机器人协调体系结构,典型的体系结构是递阶分层式结构和包容式结构,由于包容式结构由多个并发行为产生器组成,直接对环境变化做出反应,系统的实时反应性加Motoman 机器人下象棋运动控制设计 3强8。考虑到多机器人协调系统的实时性,一般采用包容式结构,即将系统中单一的机器人视为一个机器人 Agent。当任务分配后，不但能完成各自的局部问题求解，解决集中式控制方式中存在的瓶颈问题，而且当外部环境发生变化时，能够自主的利用自身所具有的心智做出调整，并通过 Agent 通讯与其他机器人 Agent通过协作求解全局问题。 1.2.2 国外相关技术发展概况 国外在这方面的研究起步较早且发展很快，早在80年代初，欧美一些研究人员就开始研究移动多机器人系统,项目有 GOFER9,SWARM10等。然而，早期的研究主要以仿真为主。但近来的研究更强调实际的物理实现，如欧盟设立专门进行多机器人系统研究的MARTHA课题-用于搬运的多自主机器人系统（ Multiple Autonomous Robots for Transport and Handling Application）。 日本对群体机器人系统的研究开展得比较早，著名的研究有ACTRESS11系统和CEBOT12系统。 CTRESS系统是由日本 H.Asama 等人提出的通过设计底层的通讯结构而把机器人、周边设备和计算机等连接起来的自治多机器人智能系统。这个系统的主要特点是系统的单个动作和合作动作的并存。日本名古屋大学的Fukuda教授提出的CEBOT系统,每个机器人可以自主地运动,没有全局的世界模型,整个系统没有集中控制,可以根据任务和环境动态重构、可以具有学习和适应的群体智能，具有分布式的体系结构。 美国学者 K.Jin 和 G.Beni 等研究了SWARM系统。SWARM系统是有大量自治机器人组成的分布式系统， 其主要特点是机器人本身被认为无智能。 它们在组成系统后，将表现出群体的智能。 表1-1显示了 1994-2004年来国外多机器人系统研究的快速增长（我们用关键词 multi-robot、 multirobot、 cooperative robot、 collaborative robot、 distributed robot、Reconfigurable robotics 之一检索于科学文摘数据库 (INSPEC)。 表 1-1 1 994-2004 年发表的多机器人系统研究的文章 （检索于中国学术期刊全文数据库 INSPEC） 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 篇数 55 63 85 68 181 4 256 302 318 344 351 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 4随着多机器人系统研究的深入，许多的实验仿真系统逐步建立起来。下面介绍几类具有代表性的多机器人系统。 1：群智能机器人系统 群智能机器人系统是由许多无差别的自治机器人组成的分布式系统， 它主要研究如何是能力有限的个体机器人通过交互式产生群体智能。在自然界的蚂蚁、蜜蜂登昆虫群体中，个体的能力有限，但从它们的交互中却呈现出了智能行为。加拿大Alberta 大学开发的 Collective Robotics 实验系统是一个典型的例子。另一个有代表性的系统是美国 USC 大学开发的T he Nerd Herd 系统。 2：自重构机器人系统 自重构机器人系统以一些具有不同功能的标准模块为组件， 根据目标任务的需要，对这些模块进行相应的组合，进而形成具有不同功能的系统。前面提到的日本名古屋大学的 Fukuda 教授提出的 CEBOT 系统就是一个典型的例子。 3：协作机器人系统 协作机器人系统是由多个具有一定智能的自治机器人组成， 机器人之间通过通信实现相互之间的协作以完成复杂的任务。美国 Oak Ridge 国家实验室的 Lynne E.Parker 及其研究小组在协作机器人学方面做了很多的工作和研究，并建立了实验平台（ CESAR Emperor 和 CESAR Nomads 机器人系统）进行理论的验证。 总体上说，国外对群体机器人的研究已取得了令人瞩目的进展，但与工业机器人相比，实用性尚有很大的差距，需要解决以下几个方面的问题： 1： 如何使机器人个体之间相互通信和相互作用。 2：如何在各机器人间表达、描述问题、分解和分配任务； 3：保证机器人在行动中的行为协调一致； 4：人彼此之间如何识别和解决冲突。 1.2.3 国内相关技术发展概况 国内在该领域的研究起步较晚，但目前研究也在逐年增多。不过大部分的研究工作仍然停留在仿真和实验室阶段。 表1-2示了我国近年来对多机器人系统研究的快速增长（用多机器人、分布式机器人、群体机器人、可重构机器人等关键词之一检索于中国学术期刊全文数据库（CNKI)）;表1-3是对表1-2这些文章的研究领域分布所作的归类.从中可见国内对多机器人系统各研究领域的侧重不一样,有些领Motoman 机器人下象棋运动控制设计 5域如体系结构与控制、 路径规划与编队等领域研究的较多;而有些领域像思想源泉、通信、多机器人学习等就较少12。 表 1-2 1994 -2004 年发表的多机器人系统研究的文章 (检索于中国学术期刊全文数据库 CNKI） 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 篇数 2 1 2 2 2 4 10 17 19 19 21 表 1-3 1994 -2004 年发表的多机器人系统研究领域的分布 （检索于中国学术期刊全文数据库 CNKI） 领域 思想源泉 体系结构与控制 通信 学习 可重构机器人 路径规划与编队 其它 篇数 5 29 8 8 7 18 23 中科院沈阳自动化研究所以制造环境应用多机器人装配为背景， 建立了一个多机器人协作装配系统（ MRCAS）。该系统采用集中和分散相结合的分层体系结构，分为合作组织级和协调作业级。利用 MRCAS 进行多机器人协调装配工件的实验结果表明： MRCAS 系统为深入研究多机器人协调理论与方法提供了一个良好的试验平台，并对多机机器人写作系统的应用具有参考价值。 同时，哈尔滨工业大学机器人研究所研制出面向楼宇及危险环境监控、废墟搜救的履带式可重构机器人。单个机器人模块具有体积小、隐蔽性强的优点，多个模块可组合成蛇形、环形，可攀越障碍物、楼梯的功能，携带微型摄像机、 MEMS烟雾、有毒有害气体传感器。而且，他们在群机器人追捕目标系统、群机器人编队控制系统、群机器人舞蹈控制系统、机器人部队追捕、包围逃跑机器人系统、机器人部队编队侦察系统等方面取得了重要研究成果。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 6图 1-1 哈尔滨工业大学机器人研究所可重构机器人 经过20几年的发展，我国多机器人系统的研究虽然在理论和实践方面取得了许多进展。但从总体上来说，多机器人系统的研究还处于初期阶段，距离实用还有一定的差距。 1.3 本文的研究内容、方案 研究的基本内容： 本次课题主要是基于我校机电工程系机器人专业实验室的两台北京首钢莫托曼机器人有限公司的MOTOMAN-HP6装配机器人设备，开发双机器人协调下棋系统。本项目引导我们在了解机器人的国内外应用和发展现状的基础上， 研究该机器人的工作性能、控制方法；采用高级编程语言 Visual C+开发双机器人协调下棋系统；同时通过设计将下象棋的动作转换为对机器人电机的运动控制， 并实现计算机与机器人的通讯（利用 Motocom32 通讯软件）,以实现利用机器人下中国象棋这一创新性研究。 总体方案拟定： 1、通过阅读有关机器人的结构、原理的书籍，对机器人的本体与各关节运动原理进行深刻的理解。 2、针对题目要求，确定初步的编程流程，即利用VC+ 中MFC库编辑象棋程序。 3、在编程过程中，确定如何将棋盘中的棋子运动转换成机器人各关节的坐标，让机器人能够按着操作者的“思想”下棋。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 74、解决如何利用 Motoman 机器人通讯软件 Motocom32 做到将棋盘中的运动信息传递到 Motoman 控制柜中，控制机器人运动。 5、针对在编程、仿真、通讯过程中出现的问题和困难，对方案进行局部的修改和优化。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 8第二章 系统基本组成和性能指标 所采用的机器人系统硬件可划分为机器人、控制柜及远端控制平台。机器人是实验室现有的 Motoman-HP6 机器人（两台）；远端控制平台是联想PC 机。 系统已有的软件为PC 与机器人之间的通讯软件 MotoCom、机器人仿真软件MotoSim 和以及高级编程软件 Visual C+ 6.0。 2.1 系统组成框图 本实验平台系统的逻辑结构如下图所示： 图 2-1 系统逻辑框图 在图2-1中，控制者部分代表远程控制端，其触发方式将由被控对象及控制系统决定，为事件触发；PC机部分本地控制端；机器人部分为首钢莫托曼机器人有限公司的 Motoman-HP6型号的两台装配机器人，由于 HP6 机器人控制模式本身的特点所限，本部分采用了事件触发的方式控制。图中的箭头代表信息的输入输出方向和通路。 系统的物理结构为分布式的服务器客户端结构如下图2-2，包括两台首钢莫托曼机器人有限公司的 Motoman-HP6型号的两台装配机器人， 一台普通配置的个人计算机，和与 Motoman-HP6配套的两台 NX100控制柜。 PC 机 控制者 机器人 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 9图 2-2 系统的物理结构 简要说明：PC机与控制柜（器）之间通过串口通讯连接，主要是将控制命令传输给主控制器，进而控制机器人的运动;两个控制柜自己的通信通过I/O进行；控制柜与机器人之间由一根信号电缆（1BC）和一根电源电缆(2BC)连接，实现机器人的供电和控制。 2.2 Motoman 机器人 本系统中采用的是首钢莫托曼机器人有限公司的 Motoman-HP 系列， 该系列适用于搬运、装配、切割。 Motoman-HP 系列从大到小共有 HP3HP6HP20HP165 四种代表机型，根据实际情况我们选用了HP6，其动作速度、精度及可靠性使我们选择它的首要原因。可以从以下几个方面了解Motoman-HP6。 从控制器 机器人 机器人 PC 机 主控制器 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 102.2.1 机器人本体规格 型号 Motoman-HP6 类型 YR-HP6-A00 控制轴数 6（垂直多关节） 负载 6kg 重复定位精度 mm08.0 S 轴（回转） 170 L 轴（下臂） +155 -90 U 轴（下臂） +250 -175 R 轴（腕部扭转） 180 B 轴（腕部俯仰） +225 -45 最大 工作 范围 T 轴（腕部回转） 360 S 轴（回转） 2.26rad/s, 150/s L 轴（下臂） 2.79rad/s, 160/s U 轴（下臂） 2.97rad/s, 170/s R 轴（腕部扭转） 5.93rad/s, 340/s B 轴（腕部俯仰） 5.93rad/s, 340/s 最大 工作 速度 T 轴（腕部回转） 9.08rad/s, 520/s 许用 R 轴（腕部扭转） 11.8 mN Motoman 机器人下象棋运动控制设计 11B 轴（腕部俯仰） 9.8 mN 扭矩 T 轴（腕部回转） 5.9 mN R 轴（腕部扭转） 0.242mKg B 轴（腕部俯仰） 0.172mKg 许用转动惯量 （ 4/2GD ） T 轴（腕部回转） 0.062mKg 重量 130 Kg 温度 0+45 湿度 2080RH（不结霜） 振动 小于 4.92/ sm 条件 环境 其他 1：远离腐蚀性气体或液体、易燃气体。 2：保持环境干燥、清洁 3：远离电气、噪声源（等离子） 动力电源容量 1.5KVA 2.2.2 机器人本体优点 同其他的机器人系列相比， Motoman-HP 系列具有以下几个显著的特点： 1、同级别机器人中运动性能最好 与旧机型相比， Motoman-HP 系列机器人具有更快的最快的轴运动速度。 同时，轻型和具备高轨迹精度控制及振动抑制控制的 NX100 控制柜的有机结合，减弱了机器人启动和停止瞬间的颤动，从而缩短了机器人运行周期。 2、更宽广的动作范围 HP 系列的机器人操作机具备最大工作半径和最小的干涉半径，工作范围的变大，在系统设计上提供了较大的灵活性。同时，机器人后方的工作范围的扩大，可Motoman 机器人下象棋运动控制设计 12以给 HP 系列的机器人提供更加广泛的应用方案，使夹具等设备可以采用更高效的安装方式。 3、保护性能强 HP 系列的机器人操作机采用 IP67 防护等级，手部采用防尘防水构造，可以很好的保证机器人在恶劣环境下工作。 2.3 NX100 控制柜 NX100控制柜外部形状如图2-3所示，其中包含一示教编程器。 图 2-3 NX100 控制柜外部图 NX100控制柜内部如图2-4所示。 图 2-3 NX100 控制柜外部图 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 132.3.1 NX100 控制柜的技术规格 结构 独立式，封闭型 冷却系统 间接冷却 环境温度 0 至+ 45 (操作期间) -10至+60(运输和储存期间) 相对湿度 10% 至 90%RH (不结露) 电源 三相交流：200 VAC(+10%至 -15 %) ，50/6 0Hz(2%) 220 VAC(+10% 至 -15%) ，60Hz(2%) 接地 接地电阻：小于或等于 100 单独接地 数字输入/输出(I/O) 专用信号 （硬件） 17 个 输入和 3 个输出 通用信号（标准，最大）40 个输入和 40 个输出 自动位置调节系统 自动位置调节系统采用串行通讯方式（绝对值编码器） 驱动单元 交流(AC)伺服电机的伺服包 加速度/负加速度 加速度/负加速度软件伺服控制 存储容量 60000 程序点，60000 条命令(包括程序点) 外型尺寸 500(宽) 1200(高) 500(宽) mm 2.3.2 NX100 控制柜的技术优势 经过重大改进后的NX100控制柜具有以下几个显著的特点： 1、重复定位精度和绝对位置得到提高； 2、可协调控制多达36个轴，可以实现多达4个机器人的作业； 3、附带易于操作的、具有超强功能的示教编程器。 2.3.3 示教编程器的优点 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 14NX100 控制柜附带了功能强大的示教编程器，简称示教盒。其拥有的优点使机器人的控制更加的方便和机器人的功能更加的强大。其优点，可以简单的概括为： 1、采用彩色触摸显示屏，操作与 Windows 类似； 2、内置闪存插槽，具有梯形图编辑功能和检测功能。 2.4 系统主要结构特点 本系统设计主要侧重于操作方便，运行可靠稳定，主要具有以下特点： 1、结构紧凑，设备功能完备； 2、各结构之间通讯简单，但速度、实时性良好； 3、操作简单、方便。 2.5 本章小结 本章主要介绍了系统的结构框图，并对各个组成部分的连接、通讯做了简单的介绍，为下一章的通信和控制部分的详细说明做一个铺垫。同时，又对每个主要组成部分，如 Motoman-HP6 的本体结构特点等做了较为详细的说明。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 15第三章 系统通信控制部分 通信和控制是机器人之间进行交互和组织的基础。通过通信和控制，多机器人系统中各机器人可以了解其他机器人的意图、目标和动作以及当前的工作环境，进而进行有效的协商，协调的完成任务。 3.1 通信 目前，多机器人系统协调作业中的通信方式可以分为隐式通信和显式通信两类。 使用隐式通信的多机器人系统通过外界环境和自身传感器来获取所需的信息并实现相互之间的协作， 机器人之间没有通过某种共有的规则和方式进行数据转移和信息交换来实现特定含义信息的传递。 所以多机器人系统可能无法使用一些高级的协调协作策略，从而影响了其完成某些复杂任务的能力。而显式通信的可以利用特定的通信介质，通过某种共有的规则和方式实现特定含义的信息的传递，所以可以快速的、有效的完成各机器人之间的数据、信息的转换和交换，实现许多在隐式通信下无法完成的高级协调协作策略。鉴于此特点，我们在此系统中为了实现双机器人的协调下象棋动作，在此系统中采用了显式通信方式。基于系统中各部分的通信方式和特点，我们可以分为以下几个部分来说明。 3.1.1 控制柜与机器人之间的通信 机器人与控制柜NX100之间有两根电缆，一根信号电缆（1BC）,一根电源电缆（2BC），连接方式如下图3-1所示： Motoman 机器人下象棋运动控制设计 16图3-1 控制柜上面电缆线的接法 3.1.2 控制柜之间的通信 在本系统中，两个控制柜之间我们采取I/O通讯方式，连接在两个控制柜之间的CPU的机器人I/F 单元中的插口上。 Motoman-HP6系列的机器人I/F 单元（ JZNC-NIF01）是由机器人I/F 基板（ JANCD-NIF01）和输入/ 输出基板(JANCD-NIO01) 组成。连接机器人I/F 单元的通用输入/ 输出插座（CN07，08，09，10）的电缆如图3-2，机器人控制柜内部CPU单元如图3-3所示。 图3-2 连接机器人I/F 单元的通用输入/ 输出插座的电缆 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 17图3-3 NX100 内部 CPU单元近照 3.1.3 PC 机与控制柜之间的通信 本部分采用串口通讯和交叉线方别与主控制器和从控制器的通信。 下面分别说明之。 1、串口通讯 虽然并行接口传输速度快，但它占用了机器人或PC的多条输入/输出线，同时输入/输出线和计算机的控制线有限，这就限制了PC机与主控制器的通信，基于这个考虑本系统选取了串口通讯方式。本系统的 通信距离较近(12m)，就采用电缆线直接连接标准 RS232 端口。 2、交叉线 交叉线一般用于相同设备的连接,比如路由和路由、电脑和电脑之间。 由于本部分是PC机与控制器的CPU直接相连，进行通信，所以我们采用了交叉线（反线）连接。同时需要设置 Internet 协议（ TCP/IP），把NX100控制柜和电脑的地址设置，形成一个以太网，主要是设置 IP 地址、子网掩码和默认网关。这里，本系统设置计算机的IP地址192.168.0.1，子网掩码255.255.255.0，默认网关：0.0.0.0； Motoman 机器人下象棋运动控制设计 18控制柜中工业计算机的 IP地址192.168.0.2，子网掩码255.255.255.0，默认网关0.0.0.0。 3.2 Motoman 机器人控制 机器人的信息、知识、物理装置等决定了机器人的性能，进而决定了个体之间的交互方式及协作机制。 因此机器人的物理实现应着重考虑如何为机器人设计控制器、布置传感器等物理装置。 Motoman-HP6 的控制主要是由控制基板(JANCD-NCP01)和轴控制基板 ( SGDR-AXA01A)来实现。JANCD-NCP01基板用于控制整个系统、示教编程器上的屏幕显示，操作键的管理、操作控制、插补运算等。它具有 RS-232C 串行接口和 LAN接口( 100BASE-TX/10BASE-T)。SGDR-AXA01A基板控制机器人六个轴的伺服电机。它也控制整流器、PWM 放大器和电源接通单元的电源接通顺序基板。通过安装选项的外部轴控制基板（ SGDR-AXB01A），可控制最多9个轴（包含机器人轴）的伺服电机。 下面对于各个部分做一个简要说明。 3.2.1 NX100 控制柜的应用 NX100控制柜是机器人控制的主要部件， 其附带了编辑功能强大的示教编程器，下面就其使用的步骤扼要的说明一下： 1、接通主电源 把NX100 前门上的主电源开关扳转到接通(ON) 的位置，此时主电源接通。 2、急停 当急停键按动后，伺服电源被切断，则机器人就不能再进行操作。 由于机器人的控制主要是通过NX100控制器上面附带的示教编程器来实现， 所以下面主要来说明示教编程器的使用。 3.2.2 机器人的控制 机器人的控制主要由示教编程器来实现。 下面就编程器的具体运用来做一个介绍（说明：以下的部分是接着3.2.1的部分）。 1、摘下示教编程器，用左手轻轻摁住示教编程器下部，开关打至“ TEACH”，按下“伺服准备”待“伺服接通”变绿。 2、在主菜单选择程序，然后在子菜单选择新建程序，如图3-4所示。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 19图 3-4 新建程序画面 3、显示新建程序画面后，按选择键。出现下个画面，如图3-5所示 图 3-5 生成新程序画面 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 204、显示字符输入画面后，输入程序名，并按回车键进行登录。 5、光标移动到“执行”上，按选择键，程序“ TEST”被登录，画面上显示该程序，“ NOP”和 “ END”命令自动生成，如图3-6所示。 图 3-6 登陆新程序画面 6、下面就可以按照自己的目的示教编写程序了。 下面就示教编程器的主要功能介绍一下： 1、动作模式 示教编程器有三种动作模式：示教模式、再现模式、远程模式。在示教模式下可以进行：编制、示教程序、修改已登录程序、各种特性文件和参数的设定。在再现模式下可以进行：示教程序的再现、各种条件文件的设定、修改或删除。在远程模式下，可以通过外部输入信号指定进行以下操作：接通伺服电源、启动、调出主程序、设定循环等与开始运行有关的操作。 2、坐标系的种类 关节坐标系、直角坐标系、圆柱坐标系、工具坐标系、用户坐标系。可以通过一下的步骤选择合适的坐标系按：按坐标键，每按一次此键，坐标系按以下顺序 变化，通过状态区的显示来确认。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 21关节- 直角（圆柱）- 工具- 用户 3、安全模式的种类 安全模式有以下三种类型(在编辑模式和管理模式下的任何操作，都要设定用户口令。用户口令由 4 或 8 位字母、数字或符号组成)。操作模式：是面向生产线中进行机器人动作监视的操作者的模式，主要可进行机器人启动、停止、监视操作等。可进行生产线异常时的恢复作业等；编辑模式：是面向进行示教作业的操作者的模式， 比操作模式可进行的作业有所增加， 可进行机器人的缓慢动作、 程序编辑、以及各种动作文件的编辑； 管理模式： 是面向进行系统设定及维护的操作者的模式，比编辑模式可进行的作业有所增加，可进行参数设定、时间设定、用户口令的修改等机器管理。 示教编程器有确认、修改、插入、删除程序等功能，利用上面所说的功能我们就可以示教自己的程序了，然后在线运行，就可以达到机器人的控制。 3.3 实例分析 下面就一个具体的实例分析一下本节的内容。本实例通过示教编程，主机器人抓取画笔，从机器人手拿画板，远程控制来实现双机协调的画一个五角星，下图3-7为远程控制面板图。经过多次的实验、演示，证明本系统的通信、控制方式是稳定、可靠的。 图 3-4 双机协调画五角星的远程控制面板 双机协调画五角星的远程控制面板的接线图如3-8所示: Motoman 机器人下象棋运动控制设计 22图 3-8 双机协调画五角星的远程控制面板的接线图 双机协调画五角星的远程控制系统的继电器接线图，如3-8所示： Motoman 机器人下象棋运动控制设计 23图 3-8 双机协调画五角星的远程控制系统的继电器接线图 演示步骤： 1、接通电源 2、 在示教编程器中调出五角星程序， 并接通伺服， 将编程器开关扳到 REMOTE（远程模式） 3、将远程控制面板调到“双机模式”，摁下 “伺服投入”,再摁下“机器人启动”，就可以实现双机器人的协调作画了。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 24程序清单见附录1和附录2。 3.4 本章小结 本章主要是对本系统的通信和控制部分做了较为详细的介绍和说明，包括PC机与控制柜之间的串口通信和交叉线通信，控制柜之间的连接通信，以及控制柜与机器人之间的空盒子连接。并通过一个实例说明了系统通信实现，验证了本系统的可行性、稳定性和可靠性。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 25第四章 系统程序设计 4.1 系统程序设计说明 系统的程序设计可分为两个部分，PC 机上软件设计- Visual C+的设计，包括 MotoCom32 通讯软件的设计，另外还有示教编程器中的示教程序。下面就分别做一个说明。 本文主要侧重硬件的设计和实现，对于软件的编程，例如 用 Visual C+编写象棋界面，同时编写控制和通信程序，包括棋子的坐标提取、坐标输出输入、网络通信的设计等部分不作为重点，就不加阐述。 4.2 示教编程器中的示教程序 4.2.1 示教程序说明 本部分主要是便于 PC 机上的程序调用，容易达到设计要求。程序的实现包括两个部分。首先设置一原点记录下来,标记为L (意为主机器人原点)，每次回到原点，便于示教和调用，此原点为示教方便，选取机器人第二原点作为走吃棋原点。 一、走棋 这部分我们主要是由两步来实现。第一步，从原点L出发到目标点，抓取一棋子回到原点；第二步，再从原点出发（此时手爪中有棋子）移动到目标点，放下，松开，回到原点。再走下一步，依次类推，就可以达到走棋的目的。这个过程如图4-1示： 图 4-1 走棋过程 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 26再走下一步，依次类推，就可以达到走棋的目的。同时，我们把这个过程中的第一步标记为LM 00 。解释为LM主机器人走棋的英文缩写，00为主机器人棋盘的第一个棋子，以此类推，共有 90 个，数字表示棋子在期盘中的坐标。第二步标记为 LP00，解释同上面。这样，例如通过调用 LM 00 和LP 16 就表示把棋盘左边第一个位置上的棋子放到坐标为 16 的这个地方，完成走棋的一个过程。这个过程用流程图表示为图4-2： 图 4-2 走棋流程图 二、吃棋 这部分同样有三步来实现。 第一步： 同样是从原点L出发移到被吃棋子， 抓取，再移回到原点。这个过程与走棋第一步一样，可标记为LM。 然后从原点出发将这个棋子放回到棋盒（这个位置已事先标号），这个程序段标记为LE,意为主机器人放棋回棋盒的英文缩写。 第三步， 从原点出发将吃棋子放到被吃棋子的位置， 这个过程与走棋步骤一样，标记也一样，程序调用一样。 原点25口信号LM延时时间到？LP延时时间到？LPLYNNNYYMotoman 机器人下象棋运动控制设计 27这样，例如调用LM 16、LE 、LM 00 和LP00，就表示坐标为16的棋子被坐标为00的棋子吃掉，完成吃棋的目的。整个过程可图4-3所示为： 图 4-3 吃棋过程 这个过程流程图可表示为图4-4: 原点25口信号LM延时时间到？LE延时时间到？YNNNYYMotoman 机器人下象棋运动控制设计 28图 4-4 吃棋过程流程图 4.2.2 程序名含义清单 可以看到，我们本系统有主从两个机器人，我们把左边的机器人定义为主机器人，标记为 L；右边的机器人定义为从机器人，标记为 F。这样，每边的机器人示教程序有181和程序段，整个系统共有362个程序段。下面就举例说明每个程序名的含义。 L 主机器人原点 LM 主机器人走棋 LE 主机器人将要吃棋子放回棋盒 LP 主机器人放棋 F 从机器人原点 FM 从机器人走棋 FE 从机器人将要吃棋子放回棋盒 FP 从机器人放棋 注释：L(Leader) F(Follower) LM(Leader Move Chess) LE(Leader Eat C hess) LP(Leader Place Chess) FM(Follower Move Chess) FE(Follower Eat Chess) LM延时时间到？LP延时时间到？YNNYLPLMotoman 机器人下象棋运动控制设计 29FP(Follower Place Chess) 4.2.3 棋子坐标表示 本系统中在棋盘上我们采取一个坐标系，这样做是为了程序的调用方便，同时与Visual C+程序中保持一致。图 4-3 为一张棋盘，在上面我们做了一些标记，解释上面所说的棋子坐标。 图 4-3 棋盘 如表4-1所示,以左上方黑车为第一点，标记为00，下方的黑兵、红卒、红车标记为03、06、09，而左上方的黑马就标记为10，黑象标记为20，依次为30，40，50，60，80，最后，右下角的红车标记为89。下面做一表说明各个棋子的坐标。 9 X 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 Y Motoman 机器人下象棋运动控制设计 30表4-1 各个棋子的坐标 黑车9 00 黑车1 80 黑马8 10 黑马2 70 黑象7 20 黑象3 60 黑士6 30 黑士4 50 黑炮8 12 黑炮2 72 黑兵9 03 黑兵1 83 黑兵7 23 黑兵3 63 黑兵5 43 黑帅 40 红车1 09 红车9 89 红马2 19 红马8 79 红相3 29 红相7 69 红仕4 39 红仕6 59 红炮2 17 红炮8 77 红卒1 06 红卒9 86 红卒3 26 红卒7 66 红卒5 46 红将 49 4.2.4 示教程序 通过示教我们可以做出上面所说的程序段， 在PC机上调用程序段就可以实现设计的目的。示教程序段详单可参考附录3和附录4。说明：在清单中我们就只是列举了几个，其他的类似，只是机器人示教的目的点不同。 4.3 机器人运动互斥的判断和处理 本系统为协作关系的机器人， 机器人相互间的协调协作主要解决的问题是是在完成各自目标过程中产生的冲突和死锁。由于其不确定性，就需要我们在系统动态运行中采用一些方法来处理。一般情况下，采取一下几种方法： （1） 尽量减少或者避免系统中出现冲突和死锁。 （2） 实时在线检测冲突和死锁。 （3） 解决冲突和死锁。 Motoman 机器人下象棋运动控制设计 31本系统中的机器人自带软防碰撞传感器，其信号为 SHOCK。在示教编程中，我们对机器人内部所属的I/O口进行