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毋庸置疑，保齡球在美國是一項很受歡迎的體育運動。據估計，美國每年約有 7 千萬人會去打保齡球；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。作為一個聯盟機構，“美國保齡球協會”（USBC）負責通過大量的材料和質量測試協調和確保這項運動的技術完善性。2010 年，協會通過由 ARM Automation 開發的高性能保齡球機器人 E.A.R.L. [強化自動保齡球發射器（Enhanced Automated Robot Launcher）]設立了一個里程碑。他們采用 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的平臺精確控制機器人。

多年來，美國保齡球協會一直站在保齡球新技術和新材料研發和測試的最前沿

總部位于德克薩斯洲奧斯汀的 ARM Automation 公司主要為具有挑戰性的工業應用領域開發定制化自動化解決方案。公司成立于 1993，主要業務是為各個應用領域和建造機器人：植入物測試系統、用于搬運核材料的機器人、噴泉表演用水下機器人、針對 PC 生產的包裝和裝配線、針對倉庫自動化的移動式機器人、半導體制造中使用的激光微加工刀具，等等。ARM Automation 的強項是根據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器人解決方案的公司。”USBC 國家管理協會總經理 Neil Stremmel 如此說道。

保齡球機器人模擬運動員的行為舉止

E.A.R.L. 保齡球機器人的開發主要是為了對保齡球運動中的使用的產品和材料進行研究和測試。“根據對機器人數據的評估和分析能夠推斷出球的運動和得分之間的相互關系。”Neil Stremmel 解釋道。“E.A.R.L. 能夠復制幾乎任何保齡球運動員的風格，這將幫助教練組演示每個保齡球運動員在比賽時現場情況是如何變化的，如何根據不斷變化的保齡球比賽環境進行適當調整。”為了讓保齡球運動員在比賽時因為某些條件的變化而對比賽結果產生影響的事情不再發生，USBC 曾引用了保齡球機器人 Harry。“但是 Harry 的重現性不夠好，在調整測試條件（如位置的差別）時非常不靈活。”ARM Automation 公司總裁 Stephen Grupinski 在描述開始時的情況時說道。

E.A.R.L. 機器人運動控制系統由一根用于在整個保齡球道定位保齡球的直線軸、一個 5 軸定位機械手，一個磨球機和一個安裝在卡爪上的釋放機構組成

運動序列的最佳同步和精度

E.A.R.L. 機器人運動控制系統由一根用于在整個保齡球道定位保齡球的直線軸、一個 5 軸定位機械手，一個磨球機和一個安裝在卡爪上的釋放機構組成。看起來，機器人好像只需簡單地揮一下手臂就可以抓住保齡球并將球打到球道里，事實上，每一個投擲測試都需要采集很多參數。典型的 E.A.R.L. 試驗設置由下面幾個部分組成：

根據保齡球重力中心定向機器人卡爪

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

球釋放速度和旋轉速度

“機械和電氣控制開發的最大挑戰是對保齡球釋放的定時。”ARM Automation 公司的項目工程師 Greg Wiese 解釋道。USBC 釋放球時需要的速度約為 24 mph 或 10.7 m/s。如果系統抖動有 1 ms，就相當于球傾角偏差一度，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）。任何一點額外的抖動，球就可能會被投到天花板上，或撞到保齡球道里。

“由于采用了 EtherCAT 的分布式時鐘功能，同步和精度都達到了最高。”ARM Automation 公司 CTO Joe Geisinger 說道。“這樣就能夠以毫秒精度協調外部 I/O 與驅動控制和定位：E.A.R.L. 機器人末端執行器的位置數據被傳輸給 EtherCAT 驅動器，以測定球釋放的精確時間。位置測量非常精確，時間小于 1 ms，成功創建了每次投擲時球的正確傾角。在試驗階段，E.A.R.L. 能夠在 250 μs 內完成一次位置掃描并釋放一個保齡球。”

在數秒時間內即可完成參數調整

為了滿足這一獨特的機器人應用的嚴苛精度要求，ARM Automation 公司選擇了 Beckhoff 基于 EtherCAT 和 PC 的控制系統。USBC 人員能夠輕松通過控制面板輸入他們的測試設置。有 11 個變量用于配置每次投擲，通過控制面板調整速度和拾取定向。機器人能夠在不到 10 秒的時間內配置各個不同的參數。

控制系統由一臺裝有 TwinCAT NC PTP 軟件和采用 Windows CE 操作系統的 Beckhoff C6920 工業 PC 構成。EtherCAT 用作 I/O 和驅動的通訊系統。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，機器人好像只需簡單地揮一下手臂就可以抓住保齡球并將球打到球道里，事實上，每一個投擲測試都需要采集很多參數

EtherCAT 集成運動控制和 I/O

ARM Automation 多年來一直是 EtherCAT 技術組織（ETG）的活躍成員，已經開發出 EtherCAT 從站設備。“幾年前，我們就已經轉向使用 EtherCAT，與傳統的現場總線系統相比，它為我們帶來了很多優勢。”Stephen Grupinski 強調說道。“以太網物理特性，一般性能數據，客戶對基于以太網的網絡興趣的逐步增加以及在同一個系統中將運動控制和 I/O 整合在一起的能力都是我們轉向使用 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 補充說道。“由于 TwinCAT 控制軟件有開放的架構，有了它，就能夠非常靈活地通過一個安裝在 C6920 工業 PC 中的迷你 SERCOS 現場總線卡連接現有的 SERCOS 設備。”

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置有 11 個變量用于配置每次投擲，通過控制面板調整速度和拾取定向。機器人能夠在不到 10 秒的時間內配置各個不同的參數

在 TwinCAT 基礎上開發運動控制系統

E.A.R.L. 需要能夠靈活采集各種設備的輸入信息，并在一個靈活的環境中輕松與驅動器通訊。“TwinCAT 系統管理器和 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 繼續說道。TwinCAT 自動化軟件協調采集 I/O 和驅動器的位置數據，執行反向運動，生成下一個關節位置指令，并將新的位置指令和數據輸出給驅動。ARM 為 E.A.R.L. 開發了一套在 TwinCAT 中運行的運動轉換軟件，并通過外部設定值生成器集成到 NC 中。“為此我們使用了 TwinCAT 的運動控制功能。”Joe Geisinger 解釋說道。“我們使用 NC PTP 來控制運動軸并持續監控 EtherCAT 驅動器的狀態。”保齡球機器人的安全機制也重新進行了改裝，由 TwinCAT 監控所有安全設備。如果在運行過程中出了任何問題，驅動器會立即禁用，機器人進入安全狀態，直到重新正確設定系統。E.A.R.L. 也被包圍在一個防護籠中，四周全部安裝了安全傳感器、光柵和安全繼電器，以確保達到最高安全水平。

測試條件達到最佳，操作更加簡單

“我們現在在釋放高度、軌跡、球速、轉速和傾角上有更多的選項和更高的精度。”USBC 總經理 Stremmel 評論道。“E.A.R.L 能夠處理直徑較大且轉速較快的球。與我們先前使用的機器人解決方案相比，E.A.R.L 的移動和設置的修改要簡單很多，且精度也高很多。“ARM 始終將自動化技術與新工具和創新工藝相結合，以優化和提高其解決方案的性能。” Stephen Grupinski 解釋并補充道：“我們的應用本身就很復雜，而且經常需要為客戶量身定制，因此需要一個靈活的控制平臺，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、模塊化的控制結構就是我們快速開發可靠的定制解決方案所需要的工具箱。”