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软体控制技术加持 双臂机器人扩展应用弹性(图

2019-06-08 09:59 出处:未知 人气: 评论(

  第一届台湾智慧自动化机器人展(TAIROS)中,由精密机械研究发展中心(简称精机中心)所展出的国内首部自行研发产业用双臂机器人(DualArmRobot)(图1),以醒目的外观设计、灵活的手臂动作以及滑顺的双臂协同引发热烈讨论;而控制这台双臂机器人的核心,即为精机中心投入研发已久的机器人软体控制技术。本文将从双臂机器人开始,逐步剖析机器人软体控制技术。

  双臂机器人在智慧机器人产业并非太新奇的产品,自从2000年日本爱知博览会引爆全球服务型机器人浪潮起,各式各样的拟人化机器人如雨后春笋般的诞生,如本田(Honda)开发的ASIMO、丰田(Toyota)的PartnerRobot等,都竞相以尽最大可能模仿人类行为能力做为终极目标。

  图1 精机中心首创国内首部产业用双臂机器人

  近似人类灵活性双臂机器人应用兴起

  虽然14年后的今天,这种类人型智慧机器人并未如当初预期般地实际进入家庭提供服务,但我们已经可以看到它们的同类产业用双臂机器人,正悄悄地走进工厂并且做出贡献。2007年,安川电机(Yaskawa)推出了经典的MototmanSDA系列产业用双臂机器人,是一款将服务型机器人双手万能的思维带进产业用机器人的革命性产品。

  2009年,日本川田工业(KAWADA)双臂机器人Nextage诞生,则是日本产业技术总合研究所(AIST)人型机器人HRP系列技术于产业机器人领域的移植成果,目前已经开始被应用于许多需要人机混线生产的领域,以解决劳动力日渐短缺的问题。2013年日本机器人展(iREX)更有包括爱普生(Epson)、Nachi等公司竞相展出产业用双臂机器人,形成一股双臂机器人的热潮。

  双臂机器人到底有什么好处?这是大部分人的疑问。产业用双臂机器人的第一层价值,在于灵活更有效率;比起传统的单臂机器人,双臂机器人跟人类一样拥有两只手臂,不管是动作模式或是协同机制都更容易直接地被使用者想像和接受。而且双臂同一控制器,可以各自分开独立作业,也可以双臂一起合作共同完成一项工作,既分工又合作,效率及弹性比起两只单臂提高30%以上。综合这些因素,让终端使用者更愿意将原本人类熟悉的各种制造工作交接给机器人去执行。

  双臂机器人的第二层价值,即是面对少量多样生产趋势的弹性化适应能力。传统机器人,以六轴机械手臂为例,当初几乎可以说是为了满足焊接工作在空间中的运动而设计成的。事实上,当年机械手臂最主要的用途,就是替人类去完成类似焊接这一类最为辛苦的工作。

  当传统机械手臂开始被用到各种自动化生产作业时,就逐渐发生不适应症,人们发现除了机械手臂以外,必须搭配各种周边的自动化设备,才能让它顺利完成各种工作,例如夹治具、供料系统等;即使搭配了以上的各种设备,机器人仍往往只在自动化产线中负责某些单纯而重复的生产动作,而且是只有在空间运动维度必要的时候才派得上用场。

  除了机器人以外,几乎所有的自动化生产实际上都是以硬体堆筑出自动化逻辑,例如输送带、工作站、分度盘、旋转台等。这样的自动化系统,在大量量产的时代里能让业者以最高生产节拍(TactTime)飞快的产出产品,但面对少量多样的生产模式,大量固定设备及硬体在老板眼中所投映出的,则是令人恐惧的重组及汰换成本。

  双臂机器人降低少量多样生产成本

  少量多样的生产或许还有单元化生产模式(CellProduction)、3D列印等技术可以克服,但现在最令人头痛的,则是大量却短期的产品生产模式,以3C产品为例,每次须要生产的量以百万计,但一代一代的更替周期却越来越短。

  如果产线的自动化逻辑还是由硬体的布置与设计建构而成,在最严重的状况下,前一代的生产线几乎必须整组拆掉,重新设计与建构以符合下一代产品的自动化生产逻辑,其间不仅花费系统整合工程师、自动控制工程师、机械设计工程师的庞大人力成本,从绘图、制作、建构、测机的冗长时间成本,还有重建生产线的钜额硬体成本。

  如果有双臂机器人,大家可以想像把产线上的马达都尽可能集中在一台机器人身上,并由一颗更灵活的大脑来控制,使其独立完成更多的工作,而非像传统机器人孤苦的在生产岗位上重复操作着其实不太需要大脑,只需要小脑跟运动神经的重复性作业。

  如果机器人能具备更高的自由度以及更复杂的作业能力,便能灵活完成更多不同类型的任务,只要更换它的软体,就能变更它的生产行为,从而省去前述时间、人力、物力上的成本,想当然不会有太多人认为机器人是太贵而无法投资的设备。

  当然,通常实际上的状况不会如此单纯,机器人始终须要被教导(Teaching),即一个点位一个点位的由工程师操作教导盒(TeachingBox),让机器人一一记下动作的空间位置。如果单只手臂教导已经很费神,那么双臂机器人的教导工作就是比双倍更多的辛苦。

  川田工业的Nextage,相较于安川的产品,多生出了好几只眼睛,包括头上(MototmanSDA基本上没有头)两支摄影机组成的立体视觉系统,以及长在掌心的眼睛眼在手(EyeinHand)系统,即是为了解决双臂机器人教导困难的一项技术进展。

  双臂机器人长出眼睛后,下一阶段的成长,则将是心智上的成长,使其具备掌控工作与任务的能力。而能让双臂机器人的智慧能有所进步的关键,正是软体控制技术。如何让它更像是一般员工,就像iPhone或iPad提供了一个很好的平台去容纳无数应用程式(App)一样,机器人在有了更灵活的身体以后,就必须要拥有一个更软的脑袋。

  整合运算能力软体控制器简化功能扩充

  其实软体控制器(Soft-Controller)也跟双臂机器人一样,并非是特别新颖的名词,但在国内重新发展产业型机器人的同时,也必须体会到软体控制技术是一个不得不加以正视的潮流趋势;也就是国外的机器人大厂,特别是欧洲,如KUKA、ABB等系统,皆早已经将软体控制器实用化于产业机器人系统上,做为竞争利器。

  当谈论到机器人控制核心的时候,常常会被各种说法,如轴卡、PCBased控制器、软体控制器等混淆,到底它们有什么差别,又该如何清楚的界定呢?其实就是看机器人的运动核心(MotionKernel),也就是路径规画、运动规画、运动学解算、插补运算等,这些动作是在一颗特殊的晶片中执行,或是在电脑的中央处理器(CPU)上执行。

  入门者往往会犯一种错误,亦即将过去使用于产业机械,以及部分电脑数值控制(CNC)控制器的名词PCBased控制器与软体控制器混为一谈;PCBased控制器历史悠久,创造这个名词的用意,在于跟更古老的PLCBased控制器作区隔。

  PCBased控制器实际上的运动核心仍然是运作于插在PC上的轴控卡,而轴控卡的运算核心,即为微控制器(MCU)或是数位讯号处理器(DSP)等晶片,这些运算单元具备即时性(RealTime);相较之下,PC及其作业系统则缺乏即时性,无法精密做到多轴控制所需要的精准度,即到每1毫秒(ms)的即时插补运算,所以仍然需要独立的轴控卡负责运动层的控制运算。

  而PC只是一个容易开发图形化人机介面(UI)以及应用程式,富含丰富显示、视窗式操作功能的工具罢了。在这样的系统里,有两个主要的运算单元,就是PC的CPU,以及轴控卡的DSP或MCU。在硬体成本上,碍于当时技术发展的水准,而不得不重复建置两个运算单元。

  软体控制器则非如此,其将以上所有的运算,都由PC的CPU运算,而透过即时作业系统(Real-timeOperatingSystem,RTOS)将PC即时化,从而达到取代轴卡的功能。图2所示为精机中心开发的产业机器人控制器,即为软体控制器的常见架构。从图2中可见,全部的运算都是在一台工业电脑主机板上的CPU运行,藉由在CPU上运行两种系统,包含非即时系统(例如Windows)以及即时系统,分别等同于PCBased控制器时代的PC介面以及轴控卡的功能。

  图2 精机中心产业机器人软体控制器架构

  除了节省一颗MCU或DSP以及轴控板的硬体成本外,软体控制器还具有许多优点。首先,传统将运动核心撰写于MCU/DSP的作法,其韧体程式码必须依循各家晶片的撰写规则,而为了节省成本,开发者通常会选用运算能力刚刚好的晶片,如此一来在控制器功能的扩充性与成长性上就容易受到限制,甚至不同种类的机器人,都搭配运算能力不同的晶片。

  而且更令人费神的是,当有新型号的晶片,或是想要更换晶片厂商时,整个程式码又几乎必须重新撰写与测试;相较于此,软体控制器由于运动核心都是在工业电脑CPU中建构的即时作业系统开发,软体撰写比起晶片韧体的开发,省去了许多麻烦的工作;而且当功能须要扩充或提升运算速度时,只要更换更高等级的工业电脑,配合更高阶的CPU即可。

  以精机中心的开发经验为例,较简单的SCARA/DELTA机器人使用英特尔(Intel)AtomCPU即可满足其运算需求,当开发到六轴、七轴,甚至双臂时,或是让SCARA/DELTA机器人加上视觉运算、外部讯号动态追踪(如ConveyorTracking)而需要更大运算能力时,只须要更换工业电脑,将CPU升级到诸如i5、i7系列即可,程式码完全不用更动,再加上软体的共通性与设计弹性,精机中心将各种类的机器人都建构在同一控制器程式码架构下,甚至可将原本控制单机的控制器架构,在短时间内就改造为同一CPU控制两台手臂的双臂机器人控制器(图3)。

  图3 精机中心已将各种类型机器人整合于统一的软体控制器架构之内。

  上述的开发效率以及运用弹性,是采用传统轴卡架构所难以达成的。此外,现在的软体控制器技术,在运用多核心CPU时,可以让非即时系统独占一核、即时系统独占另一核,甚或另外其他几核,能够充分发挥电脑CPU的威力。

  由于PC并非只应用在运动控制或自动化领域,拥有全世界性的发展动力,不须要特别担心CPU运算能力的成长趋势。业界常说CPU的应用效能每18个月就会提高一倍,相较于此,DSP或MCU的发展就常常必须依赖特定晶片厂商的努力。

  结合工业界高速数位通讯的发展趋势,例如乙太网路控制自动化技术(EtherCAT),可利用工业电脑的网路晶片,只要在软体上增加驱动程式,以及于即时系统中植入主站程式(EtherCATMaster),就可以让控制器具备该泛用型的高速数位通讯介面,完全不用增加一颗晶片或一张板卡(图4)。

  图4 软体控制器可透过广泛使用的EtherCAT介面,串联不同厂牌马达同步控制。

  以传统的PCBased控制器为例,控制一台七轴机器人须要插上一张七轴运动控制卡,控制双臂机器人就须要插两张;但这两张卡间又必须同步即时运算,所以最后就必须选一个更高阶的DSP或MCU,在上面重新建构一个能同时控制十四轴的控制器韧体,并且打造一张十四轴运动控制卡,向外连结到十四组马达伺服驱动器。

  但在使用软体控制器架构的状况下,开发者只须将软体程式开发完毕,并安装于一台运算能力匹配的工业电脑,再透过EtherCAT介面以高速数位通讯直接串接十四组马达伺服驱动器即可,节省莫大(博客,微博)的开发成本与时间(图5)。

  图5 传统控制器架构与软体控制器架构比较

  网路晶片可做为数位视觉通讯埠

  如果要为双臂机器人加上眼睛,拜高速数位通讯视觉解决方案所赐,一样只要在软体中建构机械视觉核心,以及数位视觉高速通讯驱动程式,即可将网路晶片转变为数位视觉通讯埠。

  在过去PCBased时代,使用类比式摄影机,就必须在电脑中插入一张影像撷取卡,可以想像,如果要在传统PCBased架构下控制双臂十四轴马达,又要像Nextage一样长出四只眼睛的时候,电脑上到底要插上几片各式专用电路板;若使用软体控制器架构,只须汇集所需要的软体功能,一台干干净净的工业电脑就能达到以上目的(表1)。

  导入视觉/力觉双臂机器人更智慧

  软体控制器前述的各种优势,无外乎就是弹性两字,其实可以发现跟本文所分析双臂机器人的价值概念类似,让所有的变动都从易于开发的软体上去变化。当然,现在市面上的机器人软体控制器,只是在软体控制器架构下完成了传统机器人的功能,但是软体控制器,或是应该改称为软体控制技术,其未来的发展性绝不仅于此。

  可以想像,如果将机器人的运动模型在软体里建构完毕,拔掉控制器与实体机器人的连线,控制器就变成一台即时模拟器,或是虚拟机器人,而且更棒的是,由于它是由软体构成的,这样的虚拟机器人可以任意安装到更高阶的电脑上。

  只要使用更高阶的电脑,不只一台机器人,两台、三台,再加上作业单元的自动化设备甚至整条产线,都有机会纳入这个虚拟体系中;而如果再把控制器(即电脑)与实体连线接上,又能够控制实际的系统。在这样的高弹性下,即可达到虚实合一的智慧化未来愿景。

  产业用双臂机器人未来在智慧自动化产业的重要性与发展性备受期待,德日等机器人大国无不积极投入与发展,成果也渐渐落实应用在产业上。精机中心在双臂机器人的初步研发成果也同时鼓舞国内的机器人厂商,并显示台湾机器人产业正逐渐拉近与机器人大国间的技术差距(图6)。当然,这些都还只是一个小小的起点,双臂机器人还需要时间成长,至少它还要先长出眼睛与学习力量控制,但在软体控制技术的加持与加速之下,相信它的成长速度将不会太慢,而且也会愈来愈聪明。

  图6精机中心软体控制器上的虚拟双臂机器人

  (本文作者王培睿为精密机械研究发展中心智慧化系统发展组组长;萧仁忠为智慧化系统发展组机器人控制部副理)

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