基于IPC的開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

1、第卷第期年月機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，基于的開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究馬瓊雄，吳向磊，李琳，張鐵（華南理工大學(xué)機(jī)器人研究所，廣東廣州）摘要：開(kāi)放性是現(xiàn)代機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)之一。開(kāi)放式工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用基于工業(yè)計(jì)算機(jī)（）結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)形式，并借鑒（）等典型的機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了分層模塊化的軟件系統(tǒng)，使得現(xiàn)有的機(jī)器人控制系統(tǒng)只需要做少量的修改就能應(yīng)用到不同的場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：開(kāi)放式機(jī)器人；控制系統(tǒng)；軟件體系結(jié)構(gòu)；分層模塊中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）引言現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)器人研制，要求工業(yè)機(jī)器人具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。不同的應(yīng)

2、用領(lǐng)域需要機(jī)器人控制系統(tǒng)，能夠集成不同的周邊設(shè)備和多種軟件功能模塊，并且希望控制系統(tǒng)可以在不同的軟硬件平臺(tái)間進(jìn)行移植。目前，開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究主要工作集中在：機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)的定義，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部件的模塊化，接口的標(biāo)準(zhǔn)化，提高軟件代碼的復(fù)用性、效率、可維護(hù)性等，為用戶(hù)提供方便的任務(wù)描述和編程環(huán)境。作者所在課題組研制的六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，以噴涂作業(yè)為主要應(yīng)用對(duì)象，并能將機(jī)器人的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到焊接、搬運(yùn)、裝配等方面，因此在研發(fā)的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和選擇具有開(kāi)放性的硬件平臺(tái)體系，能根據(jù)需要更換不同的硬件設(shè)備，在機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系方面，要求各模塊之間相互獨(dú)立，能夠根據(jù)需要增

3、刪應(yīng)用功能模塊，擴(kuò)充軌跡規(guī)劃和伺服控制算法等，最終使得機(jī)器人只需要做最小的改動(dòng)就能夠應(yīng)用到不同的場(chǎng)合。系統(tǒng)?；诳偩€(xiàn)的機(jī)器人控制系統(tǒng)主要有兩種形式：第一種方式是機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制接口卡的形式。接口卡本身不帶，只能得到各關(guān)節(jié)量數(shù)據(jù)，送入機(jī)，經(jīng)機(jī)的伺服程序計(jì)算后得到控制量，并通過(guò)接口板將其轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的控制量。為了滿(mǎn)足機(jī)器人控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如等，或者是采用普通的操作系統(tǒng)加實(shí)時(shí)擴(kuò)展環(huán)境，可以利用操作系統(tǒng)完備的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源。這種方式構(gòu)建的系統(tǒng)具有很高的靈活性和擴(kuò)展性，但開(kāi)發(fā)難度比較大，沒(méi)有充分利用目前市場(chǎng)上已有的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，而且的價(jià)格也比較貴。第二種方式是機(jī)加

4、運(yùn)動(dòng)控制卡的形式。近年來(lái)，以為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡商品化程度越來(lái)越高，可以將多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制集成在一塊卡上。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制卡本身可以實(shí)時(shí)完成伺服運(yùn)動(dòng)的控制細(xì)節(jié)，并提供開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)供用戶(hù)在上構(gòu)建自己所需的控制系統(tǒng)，機(jī)只需要完成系統(tǒng)管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制指令發(fā)送等任務(wù)。本文研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡的形式，操作系統(tǒng)采用。運(yùn)動(dòng)控制卡采用，選用一塊，三塊，以及一塊（光電隔離板）?？刂葡到y(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)方案的選擇目前，開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)大致可以分為兩類(lèi)：基于總線(xiàn)的系統(tǒng)和基于總線(xiàn)的收稿日期：作者簡(jiǎn)介：馬瓊雄（），男，廣東汕頭人，在讀碩士。主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用

5、；吳向磊（），男，河南項(xiàng)城人?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是一臺(tái)完整的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)，能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并能正確地進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，完全可以完成伺服運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)。它適應(yīng)多種硬件平臺(tái)，幾乎適合于控制所有的電機(jī)，可以接收各種檢測(cè)元件的反饋。機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。示教盒與工業(yè)機(jī)之間使用通訊，用戶(hù)通過(guò)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新機(jī)器人交流伺服電機(jī)限位零位開(kāi)關(guān)示教盒伺服放大器是依照功能而構(gòu)造的機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)而且在分層方面考慮了功能間的包容關(guān)系和考慮了不同層次是面向不同用戶(hù)的，是一種能夠集成工業(yè)機(jī)器人控制和編程的體系結(jié)構(gòu)框架。在這種體系結(jié)構(gòu)中，更多地關(guān)注了系統(tǒng)高層與低層之間的關(guān)系，把復(fù)雜系統(tǒng)分解成若干個(gè)可

6、處理的部分，每個(gè)部分對(duì)外部行為給出一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，忽略或在某種程度上簡(jiǎn)化內(nèi)部行為針對(duì)不同的功能。許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都提出了自己的層次模型。通訊工業(yè)以太網(wǎng)和其他機(jī)器人通訊通訊運(yùn)動(dòng)控制卡接口板周邊設(shè)備圖控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖使用示教盒來(lái)完成對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的操作。機(jī)器人與機(jī)器人之間使用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。與機(jī)的通訊采用總線(xiàn)和兩種方式。采用方式，在數(shù)據(jù)存取時(shí)不需要經(jīng)過(guò)通訊口發(fā)送命令和等待響應(yīng)，同時(shí)提供了許多自動(dòng)數(shù)據(jù)反饋功能，用戶(hù)還可以通過(guò)使用的變量來(lái)指定中還沒(méi)有被使用的寄存器。主機(jī)使用模型將系統(tǒng)劃分成三大層次：伺服層、系統(tǒng)層和終端用戶(hù)層。為了保證系統(tǒng)的靈活性和高效性，在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了對(duì)各個(gè)功能模塊分別編譯，而運(yùn)

7、行時(shí)采用動(dòng)態(tài)鏈接的方法將己編譯的功能模塊動(dòng)態(tài)地鏈接起來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的應(yīng)用功能。隨著軟件工程和機(jī)器人研究的發(fā)展，研究人員在現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了更深入的研究和提出新的框架，同時(shí)使用現(xiàn)代軟件工程的思想如面向?qū)ο?，組件化等對(duì)機(jī)器人軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，。可以實(shí)時(shí)向重復(fù)下載位置數(shù)據(jù)，可以從重復(fù)快速地獲得狀態(tài)信息，如伺服電機(jī)的狀態(tài)、位置、速度等數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)實(shí)時(shí)性顯著提高。伺服軸的控制通過(guò)運(yùn)動(dòng)程序來(lái)完成。機(jī)完成上層的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，通過(guò)解釋器將機(jī)器人操作指令解釋為的運(yùn)動(dòng)程序，下載到中執(zhí)行，伺服運(yùn)動(dòng)完全可以只用系統(tǒng)軟件以及運(yùn)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用的板實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的限位、零位以及其他外部設(shè)備的量輸入輸出，的處理

8、功能轉(zhuǎn)移到機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)而不使用內(nèi)置的控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)及模塊說(shuō)明控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)參考了上述軟件體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)為分層模塊化的控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)。軟件體系結(jié)構(gòu)分層圖如圖所示。終端用戶(hù)層操作者功能是為了適應(yīng)不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制卡。系統(tǒng)層伺服層機(jī)器人本體機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)典型開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)等人提出的機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)融合了功能型分層式體系結(jié)構(gòu)與行為型集中式體系結(jié)構(gòu)。在體系結(jié)構(gòu)上主要可以分為分布式功能層和控制它的中心決策層。為了提供一種能夠構(gòu)建程序的框架和運(yùn)行管理程序的運(yùn)行機(jī)制，該體系結(jié)構(gòu)引入了通用模塊。分布式功能層在控制系統(tǒng)中具有如下幾方面重要的功能：該層通過(guò)調(diào)用

9、不同功能的控制模塊，向系統(tǒng)提供不同物理資源或邏輯（數(shù)據(jù)）資源的服務(wù)；它可以控制系統(tǒng)的服務(wù)。當(dāng)接收到一個(gè)包含輸入?yún)?shù)的服務(wù)請(qǐng)求后，該層將在請(qǐng)求發(fā)送方和服務(wù)提供模塊之間建立客戶(hù)服務(wù)器關(guān)系；功能層在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要在每個(gè)模塊間建立起動(dòng)態(tài)的調(diào)用關(guān)系。不同功能的通用模塊組合在一起可以完成一個(gè)具體的應(yīng)用功能。在模塊執(zhí)行的過(guò)程中，功能層通過(guò)使用來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。是一種可以被系統(tǒng)所有組件讀，只能被擁有者寫(xiě)的結(jié)構(gòu)化共享存儲(chǔ)器。由于的存在，對(duì)于數(shù)據(jù)的連續(xù)更新是公開(kāi)的。圖軟件體系結(jié)構(gòu)分層圖操作者通過(guò)終端用戶(hù)層對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行操作。示教盒和系統(tǒng)層通過(guò)方式通訊，將終端用戶(hù)層的操作數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)層，系統(tǒng)層對(duì)數(shù)

10、據(jù)進(jìn)行解析，得到操作命令和操作參數(shù)，進(jìn)行操作調(diào)度，機(jī)器人語(yǔ)言解釋?zhuān)\(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并將計(jì)算得到的控制指令，發(fā)送到伺服層中，由伺服層來(lái)完成機(jī)器人伺服運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)。這三層分別在三臺(tái)不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。終端用戶(hù)層在示教盒上實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為；系統(tǒng)層在上實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為；伺服層在上實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為自身的操作系統(tǒng)。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)三臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的相互配合來(lái)完成的。三層的開(kāi)發(fā)人員根據(jù)項(xiàng)目需求以及本層的軟硬件環(huán)境特性進(jìn)行開(kāi)發(fā)，無(wú)需了解其他層的技術(shù)細(xì)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須將每一層中需要和其他層交互的部分，提取出來(lái)作為遠(yuǎn)程程序集，本層應(yīng)用如果需要和其他層交互，則直接在本地調(diào)用遠(yuǎn)程程序集來(lái)實(shí)現(xiàn)

11、兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程之間的通訊，各層交互模型如圖開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新示教盒（終端用戶(hù)層）和系統(tǒng)層交互遠(yuǎn)程程序集遠(yuǎn)程程序集（系統(tǒng)層）和終端用戶(hù)層交互和伺服層交互通訊組件（伺服層）所示。提供了模塊，將一段機(jī)器人語(yǔ)言代碼解釋為的運(yùn)動(dòng)控制程序，并下載到上執(zhí)行，操作者通過(guò)觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)機(jī)器人語(yǔ)言程序進(jìn)行編輯。當(dāng)對(duì)一個(gè)工程任務(wù)中所有工件的操作都示教編程和示教檢查結(jié)束后，將所有工程相關(guān)的機(jī)器人語(yǔ)言程序翻譯為運(yùn)動(dòng)控制程序，工作再現(xiàn)時(shí)，只需要將解釋好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到中并執(zhí)行。系統(tǒng)監(jiān)控功能由狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷兩部分配合完成。狀態(tài)監(jiān)控通過(guò)通訊組件獲得伺服層的伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)，提供給示教盒上的用戶(hù)查看和故障診斷的數(shù)據(jù)輸入。故障

12、診斷從狀態(tài)監(jiān)控模塊獲得參數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)工作是否正常。輔助功能和上述三部分共同組成了機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件部分。通訊通訊函數(shù)庫(kù)，因此只需要在該函圖各層交互模型數(shù)庫(kù)的基礎(chǔ)上按機(jī)器人系統(tǒng)的需求使用重新封裝一個(gè)通訊組件供系統(tǒng)層和伺服層交互的進(jìn)程使用。終端用戶(hù)層和系統(tǒng)層之間的應(yīng)用進(jìn)程交換需要開(kāi)發(fā)一組遠(yuǎn)程程序集來(lái)支持。遠(yuǎn)程程序集的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是通訊模塊，程序集中的函數(shù)負(fù)責(zé)完成進(jìn)程通訊數(shù)據(jù)的打包和拆包以及完成兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通訊細(xì)節(jié)。在系統(tǒng)層借鑒了等人提出的，該不僅負(fù)責(zé)系統(tǒng)伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也管理著用戶(hù)的操作數(shù)據(jù)，用戶(hù)的操作數(shù)據(jù)在終端用戶(hù)層和系統(tǒng)層各自有一張相同格式的數(shù)據(jù)表來(lái)維護(hù)，可以減少兩個(gè)層之間的數(shù)據(jù)

13、交換量，簡(jiǎn)化了應(yīng)用進(jìn)程之間的通訊協(xié)議。因此三個(gè)層的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)以及功能擴(kuò)展等都可以獨(dú)立進(jìn)行。從操作者使用機(jī)器人系統(tǒng)的角度劃分系統(tǒng)的功能模塊，模塊組成結(jié)構(gòu)圖如圖所示。軟件系統(tǒng)總結(jié)為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)一種機(jī)器人系統(tǒng)是非常復(fù)雜的過(guò)程，隨著機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用的普及，機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可以根據(jù)需要進(jìn)行改造，可以很容易集成新的硬件以及添加新的軟件模塊，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用環(huán)境?；诘臋C(jī)器人控制系統(tǒng)提供了很好的開(kāi)放條件，但對(duì)于最后控制系統(tǒng)能否更好的具有開(kāi)放性還取決于軟件體系的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方法。在機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)吸收當(dāng)前軟件工程的先進(jìn)思想和設(shè)計(jì)理念，從系統(tǒng)的需求分析到設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試等都應(yīng)當(dāng)有成熟的模型來(lái)描述，如何采用適合機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的工程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，將是開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的一個(gè)研究重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：張廣立，付瑩，等基于的開(kāi)放式機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，：，：，萬(wàn)俊君，戴先中，等開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)，控制參數(shù)包括各軸系統(tǒng)監(jiān)控輔助功能系統(tǒng)管理系統(tǒng)加工速度、加速度、停機(jī)位置、工作空帳號(hào)管理控制參數(shù)工藝參數(shù)狀態(tài)參數(shù)示教編程示教檢查工作再現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控故障診斷故障恢復(fù)系統(tǒng)調(diào)試文件管理間及參數(shù)等等，系統(tǒng)的工藝參數(shù)包含機(jī)器圖軟件系統(tǒng)功能模塊組成結(jié)構(gòu)圖人對(duì)不同加工對(duì)象的工