1、引言

2010年，德國學術界和產業界提出“工業4.0”的概念，即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—信息物理系統相結合的手段，將制造業向智能化轉型。所以，近些年許多工業自動化廠商將自己的產品研發所考慮的一個重要方向定在是否能被遠程控制。另一方面，隨著國內人工成本的不斷上升以及工廠人員流動的不確定性，機器人產業是近幾年，相信也是未來幾年的朝陽產業。所以對于工業機器人在工廠生產中的遠程控制，是一個機器人集成方面比較不錯的課題。我們知道，在工業機器人的隊伍中，UR機器人是第一家在工業環境下工作的人機協作機器人，它以輕便、簡單、安全著稱。下面我們就來了解一下如何實現上位機對UR機器人的遠程控制。

2、UR機器人提供的基于TCP/IP協議的接口

TCP/IP協議源于1969年，是針對Internet開發的一種體系結構和協議標準，目的在于解決異種計算機網絡的通信問題。使得網絡在互聯時能為用戶提供一種通用、一致的通信服務。是Internet采用的協議標準。基于TCP/IP的通訊具有成本低、可靠性高、實用性強、性能高等特點，所以現在許多工業自動化產品都具有基于TCP/IP協議通訊的接口，從而實現設備與設備之間，設備與網絡之間的通訊。UR機器人在TCP/IP協議的基礎上，提供了豐富的接口用于與外部設備的交互，如表1所述。

有了這些接口，上位機就可以遠程控制機器人。如圖1，簡單描述了上位機對UR機器人遠程監控的系統圖。

圖1 遠程控制系統圖

下面我們就來介紹UR機器人所提供的相關通訊接口，從而遠程控制機器人。

3、ModbusTCP端口

MODBUS是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。自從1979年出現工業串行鏈路的事實標準以來，MODBUS使成千上萬的自動化設備能夠通信。目前，繼續增加對簡單而雅觀的MODBUS結構支持。互聯網組織能夠使TCP/IP棧上的保留系統端口502訪問MODBUS。MODBUS是一個請求/應答協議，并且提供功能碼規定的服務。MODBUS功能碼是MODBUS請求/應答PDU的元素。

UR機器人既可以作為ModbusTCP服務器，也可以作為ModbusTCP客戶端，兩者的主要區別在于消息請求方的不同。在此，我們僅討論UR機器人作為ModbusTCP服務器的情況，如圖2所示。

圖2 Modbus TCP服務器

既然UR機器人作為Modbus TCP服務器，它必定有一系列Modbus地址供上位機來訪問。如表2所示。

通過UR機器人的相關Modbus地址，我們可以訪問機器人的很多信息，進而可以把這些信息放到上位機上。下圖就是通過訪問Modbus地址，模仿Polyscope(UR機器人原版軟件），制作出來一個界面，當然我們可以通過這個界面監控并控制機器人的所用IO。

圖3 IO控制

4、Dashboard端口
上位機可以通過29999端口直接發送一些簡單的指令給機器人，這些指令是UR自己定義的，這種功能被稱為Dashboard。下表就是Dashboard的指令列表。

顯而易見，我們可以通過一些Dashboard指令，遠程切換、加載程序，同時可以啟動、暫停、停止程序，這樣上位機就可以遠程控制程序了。

5、上位機編程端口

UR機器人有3種編程方式：Polyscope編程、腳本編程以及C-API編程。Polyscope編程指的是程序在示教器上被編輯，機器人然后執行，這是UI層的編程方式。C-API編程是在研發層上的編程方式。我們重點介紹的是腳本編程方式，腳本編程的語言是UR公司在python語言基礎上，自己研發的URScript語言。URScript是在腳本層上控制機器人的編程語言，就像其他編程語言一樣，它有變量類型，語法結構、方法等。另外，它有一系列的專用方法來控制機器人運動以及IO狀態。

UR機器人的控制器是運行在Mini-ITXPC上的，一旦PC啟動機器人控制器（就像啟動服務一樣），Polyscope軟件就通過PC本地的TCP/IP端口與機器人控制器建立連接了。同樣，當上位機作為客戶端，通過30001或30002或30003特定的編程端口，與機器人控制器建立TCP/IP連接，這樣我們就可以在上位機上按照URScript語言的格式編寫腳本程序，直接發送給機器人控制器，機器人就可以直接執行程序了。

按照上面所述的機器人腳本編程原理，我就可以在上位機上制作如下界面，實現對UR機器人的遠程編程。

圖4 腳本編程

6、實時反饋端口

30001、30002、30003除了用于遠程編程外，還有其他功能，如表4所述。

這三個端口另一個共同的特點就是，一旦客戶端打開端口，就會按照一定的頻率收到來自機器人的信息。需要注意的是30003端口是實時反饋端口，客戶端每8ms能收到一次來自機器人的信息。另外，通過測試，客戶端通過30001和30002只能每200ms左右收到來自機器人的信息。

其實客戶端通過這三個端口收到的機器人信息也稍有不同。通過30003端口收到信息是最豐富的，包含了通過30002收到的信息以及通過30001收到的大部分信息。

所以說通過實時反饋端口，客戶端收到機器人信息效率是最高的，內容也是最全的。通過實時反饋端口每次收到的數據包有1044個字節，這些字節以標準的格式排列。注意在極少情況下客戶端會收到小于1044個字節，但是字節排列的格式不變。表5是1044字節排列的順序表。

有了這些數據，上位機的數據表現就會十分豐富。下面有2張上位機界面圖，“點動圖”獲取了關節位置、TCP位置；“初始化圖”獲取了關節模式、關節實際電流、關節電壓以及其他數據。

圖5 點動圖

圖6 初始化圖

7、結束語

綜上所述，機器人作為ModbusTCP服務器，上位機通過502端口可以控制機器人的所有IO;上位機可以通過30001或30002或30003端口遠程下載程序到機器人；上位機通過29999端口可以遠程控制程序運行狀態；上位機通過30003端口可以實時得到機器人的狀態信息。也就是說，利用UR機器人開放的基于TCP/IP協議的端口，可以制作自己的Polyscope軟件，實現上位機的遠程控制。