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毋庸置疑，保齡球在美國是一項(xiàng)很受歡迎的體育運(yùn)動(dòng)。據(jù)估計(jì)，美國每年約有 7 千萬人會(huì)去打保齡球；其中有超過兩百萬人是保齡球俱樂部成員，定期去打保齡球。作為一個(gè)聯(lián)盟機(jī)構(gòu)，“美國保齡球協(xié)會(huì)”（USBC）負(fù)責(zé)通過大量的材料和質(zhì)量測試協(xié)調(diào)和確保這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)完善性。2010 年，協(xié)會(huì)通過由 ARM Automation 開發(fā)的高性能保齡球機(jī)器人 E.A.R.L. [強(qiáng)化自動(dòng)保齡球發(fā)射器（Enhanced Automated Robot Launcher）]設(shè)立了一個(gè)里程碑。他們采用 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的平臺精確控制機(jī)器人。

多年來，美國保齡球協(xié)會(huì)一直站在保齡球新技術(shù)和新材料研發(fā)和測試的最前沿

總部位于德克薩斯洲奧斯汀的 ARM Automation 公司主要為具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)定制化自動(dòng)化解決方案。公司成立于 1993，主要業(yè)務(wù)是為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和建造機(jī)器人：植入物測試系統(tǒng)、用于搬運(yùn)核材料的機(jī)器人、噴泉表演用水下機(jī)器人、針對 PC 生產(chǎn)的包裝和裝配線、針對倉庫自動(dòng)化的移動(dòng)式機(jī)器人、半導(dǎo)體制造中使用的激光微加工刀具，等等。ARM Automation 的強(qiáng)項(xiàng)是根據(jù)客戶的具體需求提供量身打造的解決方案。“ARM Automation 是唯一一家能夠提供我們的所需要的機(jī)器人解決方案的公司。”USBC 國家管理協(xié)會(huì)總經(jīng)理 Neil Stremmel 如此說道。

保齡球機(jī)器人模擬運(yùn)動(dòng)員的行為舉止

E.A.R.L. 保齡球機(jī)器人的開發(fā)主要是為了對保齡球運(yùn)動(dòng)中的使用的產(chǎn)品和材料進(jìn)行研究和測試。“根據(jù)對機(jī)器人數(shù)據(jù)的評估和分析能夠推斷出球的運(yùn)動(dòng)和得分之間的相互關(guān)系。”Neil Stremmel 解釋道。“E.A.R.L. 能夠復(fù)制幾乎任何保齡球運(yùn)動(dòng)員的風(fēng)格，這將幫助教練組演示每個(gè)保齡球運(yùn)動(dòng)員在比賽時(shí)現(xiàn)場情況是如何變化的，如何根據(jù)不斷變化的保齡球比賽環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。”為了讓保齡球運(yùn)動(dòng)員在比賽時(shí)因?yàn)槟承l件的變化而對比賽結(jié)果產(chǎn)生影響的事情不再發(fā)生，USBC 曾引用了保齡球機(jī)器人 Harry。“但是 Harry 的重現(xiàn)性不夠好，在調(diào)整測試條件（如位置的差別）時(shí)非常不靈活。”ARM Automation 公司總裁 Stephen Grupinski 在描述開始時(shí)的情況時(shí)說道。

E.A.R.L. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由一根用于在整個(gè)保齡球道定位保齡球的直線軸、一個(gè) 5 軸定位機(jī)械手，一個(gè)磨球機(jī)和一個(gè)安裝在卡爪上的釋放機(jī)構(gòu)組成

運(yùn)動(dòng)序列的最佳同步和精度

E.A.R.L. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由一根用于在整個(gè)保齡球道定位保齡球的直線軸、一個(gè) 5 軸定位機(jī)械手，一個(gè)磨球機(jī)和一個(gè)安裝在卡爪上的釋放機(jī)構(gòu)組成。看起來，機(jī)器人好像只需簡單地?fù)]一下手臂就可以抓住保齡球并將球打到球道里，事實(shí)上，每一個(gè)投擲測試都需要采集很多參數(shù)。典型的 E.A.R.L. 試驗(yàn)設(shè)置由下面幾個(gè)部分組成：

根據(jù)保齡球重力中心定向機(jī)器人卡爪

球與球道相對的釋放點(diǎn)（高度，與邊界相對應(yīng)的位置，球道寬度內(nèi)的位置，頂角，球軌跡）

球釋放速度和旋轉(zhuǎn)速度

“機(jī)械和電氣控制開發(fā)的最大挑戰(zhàn)是對保齡球釋放的定時(shí)。”ARM Automation 公司的項(xiàng)目工程師 Greg Wiese 解釋道。USBC 釋放球時(shí)需要的速度約為 24 mph 或 10.7 m/s。如果系統(tǒng)抖動(dòng)有 1 ms，就相當(dāng)于球傾角偏差一度，與邊界偏差 12.7 mm（如果它超過這條線，則此次投擲無效或出界）。任何一點(diǎn)額外的抖動(dòng)，球就可能會(huì)被投到天花板上，或撞到保齡球道里。

“由于采用了 EtherCAT 的分布式時(shí)鐘功能，同步和精度都達(dá)到了最高。”ARM Automation 公司 CTO Joe Geisinger 說道。“這樣就能夠以毫秒精度協(xié)調(diào)外部 I/O 與驅(qū)動(dòng)控制和定位：E.A.R.L. 機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置數(shù)據(jù)被傳輸給 EtherCAT 驅(qū)動(dòng)器，以測定球釋放的精確時(shí)間。位置測量非常精確，時(shí)間小于 1 ms，成功創(chuàng)建了每次投擲時(shí)球的正確傾角。在試驗(yàn)階段，E.A.R.L. 能夠在 250 μs 內(nèi)完成一次位置掃描并釋放一個(gè)保齡球。”

在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)即可完成參數(shù)調(diào)整

為了滿足這一獨(dú)特的機(jī)器人應(yīng)用的嚴(yán)苛精度要求，ARM Automation 公司選擇了 Beckhoff 基于 EtherCAT 和 PC 的控制系統(tǒng)。USBC 人員能夠輕松通過控制面板輸入他們的測試設(shè)置。有 11 個(gè)變量用于配置每次投擲，通過控制面板調(diào)整速度和拾取定向。機(jī)器人能夠在不到 10 秒的時(shí)間內(nèi)配置各個(gè)不同的參數(shù)。

控制系統(tǒng)由一臺裝有 TwinCAT NC PTP 軟件和采用 Windows CE 操作系統(tǒng)的 Beckhoff C6920 工業(yè) PC 構(gòu)成。EtherCAT 用作 I/O 和驅(qū)動(dòng)的通訊系統(tǒng)。操作界面使用的是帶 12 英寸觸摸屏的 Beckhoff CP6901 控制面板。

看起來，機(jī)器人好像只需簡單地?fù)]一下手臂就可以抓住保齡球并將球打到球道里，事實(shí)上，每一個(gè)投擲測試都需要采集很多參數(shù)

EtherCAT 集成運(yùn)動(dòng)控制和 I/O

ARM Automation 多年來一直是 EtherCAT 技術(shù)組織（ETG）的活躍成員，已經(jīng)開發(fā)出 EtherCAT 從站設(shè)備。“幾年前，我們就已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用 EtherCAT，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)相比，它為我們帶來了很多優(yōu)勢。”Stephen Grupinski 強(qiáng)調(diào)說道。“以太網(wǎng)物理特性，一般性能數(shù)據(jù)，客戶對基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)興趣的逐步增加以及在同一個(gè)系統(tǒng)中將運(yùn)動(dòng)控制和 I/O 整合在一起的能力都是我們轉(zhuǎn)向使用 EtherCAT 的重要原因。“EtherCAT 還讓我們能夠診斷總線，以檢測物理層上是否有斷鏈并精確測定故障位置。”Joe Geisinger 補(bǔ)充說道。“由于 TwinCAT 控制軟件有開放的架構(gòu)，有了它，就能夠非常靈活地通過一個(gè)安裝在 C6920 工業(yè) PC 中的迷你 SERCOS 現(xiàn)場總線卡連接現(xiàn)有的 SERCOS 設(shè)備。”

USBC 人員能夠通過帶 12 英寸觸摸屏的 Beckhoff CP6901 控制面板輕松輸入測試設(shè)置有 11 個(gè)變量用于配置每次投擲，通過控制面板調(diào)整速度和拾取定向。機(jī)器人能夠在不到 10 秒的時(shí)間內(nèi)配置各個(gè)不同的參數(shù)

在 TwinCAT 基礎(chǔ)上開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

E.A.R.L. 需要能夠靈活采集各種設(shè)備的輸入信息，并在一個(gè)靈活的環(huán)境中輕松與驅(qū)動(dòng)器通訊。“TwinCAT 系統(tǒng)管理器和 EtherCAT 讓我們能夠做到這一切 — 我們能夠輕松地將不同的平臺整合在一起。”Joe Geisinger 繼續(xù)說道。TwinCAT 自動(dòng)化軟件協(xié)調(diào)采集 I/O 和驅(qū)動(dòng)器的位置數(shù)據(jù)，執(zhí)行反向運(yùn)動(dòng)，生成下一個(gè)關(guān)節(jié)位置指令，并將新的位置指令和數(shù)據(jù)輸出給驅(qū)動(dòng)。ARM 為 E.A.R.L. 開發(fā)了一套在 TwinCAT 中運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換軟件，并通過外部設(shè)定值生成器集成到 NC 中。“為此我們使用了 TwinCAT 的運(yùn)動(dòng)控制功能。”Joe Geisinger 解釋說道。“我們使用 NC PTP 來控制運(yùn)動(dòng)軸并持續(xù)監(jiān)控 EtherCAT 驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。”保齡球機(jī)器人的安全機(jī)制也重新進(jìn)行了改裝，由 TwinCAT 監(jiān)控所有安全設(shè)備。如果在運(yùn)行過程中出了任何問題，驅(qū)動(dòng)器會(huì)立即禁用，機(jī)器人進(jìn)入安全狀態(tài)，直到重新正確設(shè)定系統(tǒng)。E.A.R.L. 也被包圍在一個(gè)防護(hù)籠中，四周全部安裝了安全傳感器、光柵和安全繼電器，以確保達(dá)到最高安全水平。

測試條件達(dá)到最佳，操作更加簡單

“我們現(xiàn)在在釋放高度、軌跡、球速、轉(zhuǎn)速和傾角上有更多的選項(xiàng)和更高的精度。”USBC 總經(jīng)理 Stremmel 評論道。“E.A.R.L 能夠處理直徑較大且轉(zhuǎn)速較快的球。與我們先前使用的機(jī)器人解決方案相比，E.A.R.L 的移動(dòng)和設(shè)置的修改要簡單很多，且精度也高很多。“ARM 始終將自動(dòng)化技術(shù)與新工具和創(chuàng)新工藝相結(jié)合，以優(yōu)化和提高其解決方案的性能。” Stephen Grupinski 解釋并補(bǔ)充道：“我們的應(yīng)用本身就很復(fù)雜，而且經(jīng)常需要為客戶量身定制，因此需要一個(gè)靈活的控制平臺，不管我們的客戶有什么樣的要求都能夠馬上完成配置。Beckhoff 開放、模塊化的控制結(jié)構(gòu)就是我們快速開發(fā)可靠的定制解決方案所需要的工具箱。”