一种机器人控制器小批量动态老练方案设计

郑建福，彭云春，曾钰

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广州智能装备研究院有限公司，广东 广州 510700）

0 引言

对于机器人控制器，在生产制造前，都要进行电路的可靠性设计。但在小批量的生产制造过程中，由于对元器件、工艺严格管控的成本过高，往往无法全面地实施，因此带来的不确定性，可能会给所生产的硬件电路引入各种不良[1]。通过常规的检测和质量控制手段，可以发现一些明显的质量问题或固定的缺陷。但元器件和生产工艺中的一些潜在的质量缺陷，如芯片不良、损伤和引脚虚焊等，往往不易被发现；这些缺陷会在电路的使用过程中慢慢地暴露出现，从而造成硬件电路的不良[2-4]。由于机器人行业的特点，控制器产品相比手机等3C电子产品，其量产规模仅能算小批量，但是机器人的应用场景又要求控制器产品有高质高可靠性保障。因此，在控制器的生产中，就需要应用对产品电路进行老练的方法来筛选产品，以提高出厂产品的质量。

老练方法可分为静态老练方法和动态老练方法[5-6]。静态老练采用电、热综合法作用于电路器件上，使得器件内部的物理、化学反应过程被加速，从而使器件的潜在缺陷提前暴露，进而把有缺陷的电路器件剔除；动态老练采用不停的信号输入法来驱动硬件电路，使器件处于不停的翻转状态，通过判断反馈信号变化的合理性来有效地筛选。动态老练更接近硬件电路的实际使用状态，更易以对产品的筛选。

CRC2-410控制器是广州智能装备研究院有限公司自主研发设计的水平机器人SCARA控制器，性能优越，被广泛地应用在国内多款水平机器人本体中。在控制器的原有高温静态老练中，主要存在如下两个方面的缺陷：1）在静态老练中仅是简单地执行目标系统的检测，却无法完成老练过程中对各个子系统的实时检测，检测的失效原因也无法具体地描述；2）静态老练施加的测试范围和强度有限，没法对硬件的各个IO及子系统进行连续不断的老练测试。为了解决静态老练的不足，要对控制器硬件的各个IO及子系统进行连续不断的老练测试，并实时地把老练过程中各个IO及子系统的状态信息反馈到监控电脑里，因此有必要设计一种动态老练方案来对产品进行筛选，以提高出厂产品的质量。

1 总体设计

从硬件的角度来看，机器人的稳定性主要由控制器决定，控制器的异常状态通常是在电路板的接口通讯时最先被发现的[7]。结合机器人控制器的应用环境，重点针对接口，提出总体设计方案。

控制器动态老练方案的思路为：在50℃测试温度环境下，将多个测试单元（指控制器CRC2-410电路板，如图1所示）安装在测试台（如图2所示）上，进行动态老练；控制器电路板在DC24 V通电情况下，连续运行72 h，通过软件手段记录每个测试单元接口（图1b中的RS485、LAN网口和output等接口）的运行情况，从而判定控制器电路板的老练结果的合格状态。

图1 CRC2-410控制器电路板

图2 动态老练测试台的布局框图

整个方案采用电路板自测的方式进行，从而可以简化线缆的连接，提高了操作的灵活性。

a）电路板的远程 （Remote）接口、输入（Input）接口和输出（Output）接口，均采用线路短接的方式。

b）对于编码器接口（Counter1/Counter2），采用专用的端子板进行辅助测试。

c）对于HMI和LAN网口，采用网线直连的方式进行测试。

d）采用每个电路板为节点的方式进行RS485组网，同工控机通讯，上传和下载动态老练的过程数据记录，以便于诊断。

动态老练测试台的内部连线如图3所示，每个电路板分配不同的485节点从站地址，通过485拓扑组网，与作为485主站的工控机进行轮询方式通讯，上传电路板老练过程中的电路状态信息。

图3 动态老练测试台的内部连线

2 流程设计

考虑到控制器动态老练的工作特性，为了减小工作量，降低操作难度，满足不同数目的小批量的控制器生产需要，本方案设计的控制器动态老练系统的流程如下所述。

a）根据本批次生产需要，确定动态老练的电路板台数；按序修改每个电路板的485从站ID。

b）在测试台上按序装配每个电路板，并进行24 V线缆、485线缆连接。

c）进行动态老练环境参数的配置，如温度、时长等；工控机作为485主站，根据本批次的指标要求进行参数配置。

d）上电，每个电路板（485从站）自动地运行软件并对自身端口进行周期性端口自检；工控机（485主站）软件周期性地按序轮询每个485从站节点，进行数据访问，记录电路板动态老练过程中端口自检的信息。

e）工控机软件根据所访问的从站节点所提供的自检信息，对整个过程中的数据进行统计、分析；并给出每个电路板的判定结果（正常或有故障）。

3 结构设计

为了节省批量生产的电路板在动态老练筛选中耗费的时间，本方案采取多电路板并行动态老练的方式，以提高效率，因此，有必要设计一款机械装置来完成多个电路板的快速装配、线缆连接等方面的整体布局。

结合动态老练的环境、场所和操作等多方面的因素，该机械装置整体采用层式结构（如图2所示的动态老练测试台），每层可以装4个电路板，总共7层，总装数量为28个。从人机工程学方面着重地考虑，应方便人员进行接插线和固定电路板等操作，最底一层电路板距离地面大约为750 mm，用于满足220 V转24 V电源盒的装配，以及线缆集中分线封装；电路板装配的每层高度为160 mm；整体高度为1 710 mm；底座装配4个轮子，以便于机台的移动。

为了方便后期的维护，把两个电路板做成一个组合单元。采用电路板横插入结构的方式，对该单元进行对导向与锁紧设计（如图4所示）。每个单元上集成有导槽，可以快速地夹钳、对插板等。测试单元通过两侧螺纹孔被固定在机架上。每次进行测试，用手把快速钳打开，将电路板从导槽插入到最前端，通过导向机构自动结合对插板座，再把快速钳闭合。快速钳的设计与使用，可以满足快速地装配与拆卸的需求。

图4 电路板组合装配结构

4 软件设计

本方案采取多电路板并行动态老练的方式。因此，在动态老练过程中，每个电路板都会产生各自的端口状态数据，有必要对这些数据进行批量处理和显示，所以软件设计主要分两个方面来进行：1）设计控制器电路板上运行的软件；2）设计工控机方面运行的软件。

a）控制器电路板上运行的软件的设计

每个控制器电路板采用RT Linux为操作系统，作为485通讯从站，应用软件采用多线程架构，创建6个独立线程分别对远程端口、输入输出端口、HMI与LAN网口、Couter1端口、Counter2端口、铁电存储器进行自检工作；同时实现RS485通讯线程，以满足485从站的通讯功能，以被动地应答工控机端对该电路板的端口信息访问。

b）工控机方面运行的软件的设计

工控机方面用Windows为操作系统，作为485通讯主站，该应用软件基于Qt进行界面开发，完成动态老练参数设置，人机界面数据访问，实现RS485主站通讯功能；按参数配置，通过485线缆，依次发起对每个控制器电路板的访问；并将访问的结果按从站地址、时间进行原始信息记录；对信息进行统计分析，以表格的形式显示每个电路板的运行情况。

4.1 主从站软件关系

在动态老练过程中，作为从站的控制器电路板的应用软件，通过周期性地触发输入信号的变化来监控反馈信号的变化，以实现自身电路的监控诊断；工控机作为主站通过485总线收集每个从站的动态老练数据，由主站软件完成统计分析汇总，进行从站端口状态的集中显示，从而实现对硬件的筛选。

4.2 数据产生机理

在动态老练中，控制器电路板的应用软件需完成对其自身的每个IO子系统的实时诊断。以输入输出功能子电路为例，输入端口针脚为IN1-IN23，输出端口针脚为OT1-OT23，采取输出端口针脚依次对接输入端口针脚，如OT1对接IN1。在动态老练过程中，软件在输出端口处触发OT1为高电平后，在输入端口处进行IN1状态的读取：

1）如IN1为高电平，则对输入输出功能电路的正确次数累计加1；

2）如IN1为低电平，则对输入输出功能电路的错误次数累计加1。

软件在输出端口处触发OT1为低电平后，在输入端口处进行IN1状态的读取：

1）如IN1为低电平，则对输入输出功能电路的正确次数累计加1；

2）如IN1为高电平，则对输入输出功能电路的错误次数累计加1。

其他针脚依次类推。在老练过程中，通过信号不同的高低电平输入变化和结果统计，从而完成对电路板的筛选。

4.3 数据通讯格式

主从站之间进行485数据通讯，有必要按老练过程中控制器所检测的功能电路，对如表1所示的数据类型进行定义。

表1 功能码检测格式定义

为了提高485的通讯速度，主从站对通讯的数据内容作以下格式定义，采取一次性报告电路板所有功能状态的方式。

Format： “NET， [OK正确次数：ERR错误次数]；IO， [OK正确次数：ERR错误次数]；REMOTE， [OK正确次数：ERR错误次数]；FRAM， [OK正确次数：ERR错误次数]，Counter1， [OK正确次数：ERR错误次数]，Counter2， [OK正确次数：ERR错误次数]。”

5 结束语

本文基于动态老练原理，提出了一种对机器人控制器动态老练的方案设计。该方案结合自主知识产权的控制器电路板特点，在动态老练中，通过软件的手段，采用RS485组网和端口互连自测的方式，完成控制器电路板在小批量生产中的数据统计分析。该方案思路清晰，整体布线简单，实施容易。通过该方案来筛选控制器产品，显著地提高了产品出厂后的质量和合格率。该方案设计的方法和思路同样适用于其他类似控制器在小批量生产时的动态老练方案。