（控制理论与控制工程专业论文）开放式网络化机器人通讯平台与控制方法研究.pdf

- r f f r 开放式网络化机器人通讯平台与控制方法研究 摘要 本论文以江苏省科技十五攻关项目“网络化焊接机器人研制与汽车生产线应用工程”为背景，承担并 完成其子项目“开放式网络化机器人通讯平台与控制方法研究”。 针对远程客户通过原有网络平台获取的只是一些机器人位置数据和控制参数数据的情况，本文设计开 发了机器人视频传输模块，为系统增加了网络监控功能。论文第三章分别对客户端和服务器端的视频传输 程序进行了模块化设计，同时综合运用j a v a 、v c 技术，将视频传输模块融合于系统原通讯平台，从而进 一步完善了机器人网络通讯平台。 论文的后面章节具体针对机器人的控制方法展开研究。首先介绍了在开放式机器人控制器上三种可行 的控制算法的实现方法，在此基础上，重点研究了神经网络口阶逆系统方法在开放式网络化机器人解耦 和轨迹跟踪控制中的应用，通过对神经网络口阶逆系统方法理论，两自由度机器人系统辨识以及具体的 工程实现的详细论述，成功得用该方法替换开放式机器人控制器的内置伺服控制算法控制机器人运行。 最后，对课题的研究内容进行了总结和展望。 论文的研究结果进一步证明了本课题组开发的开放式网络化机器人是“开放”的，同时工作中的一些 编程经验以及工程实现方法对以后的系统扩展和深入研究具有一定的实际价值。 关键词：开放式机器人；网络平台；视频传输；神经网络；逆系统 第i 页 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rf o c u s e so nt h er e s e a f c h0 f r e s e a r c h0 ft h eo p e nn e t w o 水r o b o tc o m m u n i c a t i o n p l a t f b r ma n dc o n t r o im e t h o d ”，w h i c hi st h es u b t a s ko f 。r e n t hf i v ek e yp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e “r do fo p e nn e t w o r ki n d u s tr i a ir o b o ta n dt h ea p p i i c a t i o np n 巧e c to fa u t o m o b i ew e i d i n g p r o d u c tl i n e ” a i m i n ga tt h ec o n d i t i o nt h a tt h e 九鲁m o t ec i i e n to n f yg e tt h ep o s i t i o na n dc o n t r o ip a r a m e t e r s0 f t h er o b o tb yt h ep r e v i o u sn e t w o r l p i a t f 0 丌t 1 t h ev i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l ei sd e s i g n e df o rr o b o tt o i n c r e a s et h e 仙n c “0 no fn e t w o r ks u p e r v i s i n g i nc h a p t e r3t h ev i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l ei s s y n c r e t i z e dt 0t h ep r e v i o u sc o m m u n i c a t l o np i a t f o r mb yt h ep r o g r a m0 fc i l e n ta n ds e r v e rp o r t s w h i c hu s et h et e c h n i q u e0 fv ca n dj a v a ，s 0i ti m p r 0 v et h ep i a t f b r m0 fc o m m u n i c a t i o nf o rr o b o t c o n t r 0 im e t h o d sf o rr o b o ta r er e s e a r c h e di nt h ef o o w i n gc h a p t e r s f - r s t iy tt h r e ec o n t r 0 i m e t h o d si nt h eo p e nr o b o tc o n t r o e ra r ei n t r o d u c e d s e c o n d i y ，t h en e u r a in e t w o r ka o r d e r i n v e r s es y s t e mm e t h o di sp r i m ar i yr e s e a r c h e da n di si m p i e m e n t e di nt h eo p e nr o b o tf o rt h e s v s t e mu n c o u p i i n ga n dp o s i t i o nt r a c k i n g t h en e u r a in e t 、0 r ka 一0 r d e ri n v e r s es y s t e mm e t h o d a n dt h er e c o g n j t i o nf o rt h er o b o ts v s t e ma r ed e s cr b e d i nd e t a t h i sm e t h o dd i s p i a c i n gt h e p r e v i o u sc o n t r 0 ia i g o r t h mi nt h er o b o ts e n ，0c a ns u c c e s s f u vc o n t r o it h er o b o t f i n a y ，t h ec o n c i u s i o na n dp r o s p e c tf b rt h i st a s ki sd o n e t h er e s u l t0 ft h i sp a p e rf u r t h e rp r 0 v e s 0 p e nw e t h ee x p e r e n c ei np r o g r a m m i n g s y s t e mi nt h ef u r t h e r t h a tt h e0 p e nr o b o td e v e i o p e db yt h et a s kg r o u pi s i su s e f u if o rf u r t h e rr e s e a r c h i n ga n de x p a n d i n gt h e k e y w o r d s ：o p e nr o b o t ： n e m o r kp l a 怕r m ：v i d e ot r a n s m i s s i o n ；n e u r a in e m or k i n v e r s e s y s t e m 第i i 页 第一章绪论 1 1 项目背景及研究意义 第一章绪论 目前商品化的工业机器人基本上都是封闭式的控制系统，该类型机器人控制器缺乏独立性，控制 器的功能取决于机器人所需要完成的任务，而控制器的伺服以及规划算法所用参数都直接来自本体： 底层位置伺服算法要根据操作机的伺服电机和伺服放大器的特性来定制，上层规划程序要根据操作 机的机构、尺寸等参数来编制。如果作业任务和作业对象都是固定的，那么这种封闭式机器人控制 器具有简单、可靠和高效的优点。但是随着经济的发展，人们对产品多样化的要求越来越高。制造 业已由原来的任务和对象相对固定的大规模流水线式作业，向任务和对象经常改变的中小规模的柔 性制造和可重构制造模式发展。这就要求制造系统中担当生力军的工业机器人能够胜任不断变化的 任务，即功能柔性化。在机器人的购买阶段，机器人的使用者不可能对将来生产任务的变化考虑全 面。这样一旦新的任务不包括在现有机器人的控制功能中，那么具有封闭结构的控制器机器人就毫 无用途。如果机器人的功能是可以扩展的，情形就不一样了：经过控制器的功能扩充，原有的机器 人就可投入到新的生产任务中去。而控制器的功能如要具有可扩充性，就需要控制器的软件和硬件 都是开放的。现代工业和高精尖端技术的发展需要打破传统机器人的这些禁锢，研究开放性机器人越来 越成为机器人研究领域新的热点川。 对机器人控制系统的研究除了改进现有控制系统的硬件和软件结构外，对机器人控制算法的研究也 不容忽视，而且机器人控制算法的研究一直以来就是机器人研究领域的热门话题，且伴随着控制理论的发 展而发展。从早期的主要针对线性控制系统的传统控制方法到今天的智能控制方法，对控制理论的研究前 前后后已经历了一个世纪，但对于如机器人这样的非线性、强耦合的非线性系统的研究也就是近几十年的 事，由于非线性系统对象的内部结构和外在特征都十分复杂，所以迄今为止，虽然对非线性系统的研究取 得了一些突破性进展，但其理论上还不是特别成熟。近些年来，智能控制技术为非线性控制的发展提供了 一个良好的发展契机。智能控制主要是针对控制对象极其环境、目标和任务的不确定性和复杂i 生而提出来 的。智能控制的目标就是将人脑的智能、计算机技术与控制理论结合起来，弥补传统方法的不足。智能控 制充分利用人的经验，而不完全依赖于对象的数学模型，这对于处理一些不确定性的非线性系统或过程的 控制有很大的灵活性和简化性。就目前的发展情况来看，模糊控制、专家系统和神经网络控制成为了智能 控制的主流方向。其中，神经网络既是一个非线性动力学系统，又是一个自适应组织系统，可以用来描述 认知、决策以及控制的行为。它的中心问题是对对象的认知和模拟。神经网络的出现给一些复杂系统的辨 识和控制提供了新的思路，但它不能从根本上替代其它的非线性控制理论的研究方法和成果。就目前的控 制技术来说，如果将神经网络与一些非线性控制理论方法相结合，综合二者的优点，将是一种有益的尝试。 本实验室的开放式网络化机器人系统就是切合以上思想而开发的，这套系统无论从硬件上还是在软 件上都是开放的，硬件上采用模块化的设计原理，便于控制器性能的扩充；控制器的内核是功能强大的 p m a c 运动控制卡，该卡所提供的丰富编程指令可以完成多种运动程序的编写；p m a c 卡的开放式结构可以 便于用户开发、研究和使用。软件上使用规范化的编程语言构建的网络平台，可以实现远程客户对机器人 控制器的访问，合法用户可以在远程对机器人进行示教和再现等操作。该套机器人控制系统平台的开发不 第1 页 东南大学硕士学位论文 仅使得开放式网络化的思想在实际中得到具体的体现，而且“开放式”的设计理念有益于后期对机器人相 关算法的研究。 作为一个开放式系统，能否进一步扩展和完善是验证其开放性的一个重要标准。在现有的网络通讯 平台上，可以实现遥操作的功能，机器人的实际运行状况通过一些实时数据来反映，这对于客户来说还是 不够的，如果客户能够在获得机器人运行数据的同时能直观的看到机器人的运行状况，就能更方便更安全 的操作机器人，由此可见，给开放式网络化机器人平台增加网络监控功能是很有必要的，这也是对现有网 络平台能否扩展的一次检验。 在开放式网络化机器人控制系统上进行机器人控制算法的相关研究也是一项具有挑战意义的工作。 本系统的网络平台是开放的，控制器的结构是开放的，那么整个控制系统是不是开放的呢? 假如能够找到 一种方法能够将一些复杂的机器人控制算法运用于整个系统，从而替代原有的算法控制机器人工作，那么 就可以证明这个系统是开放的，是具有实用价值的。 1 2 课题主要任务 本课题的主要任务是完善开放式网络机器人控制系统平台，并且在该平台上对机器人控制方法 的实现技术进行研究，在此基础上，将神经网络口阶逆系统方法运用于开放式网络化机器人实现机 器人关节的线性化解耦，进一步验证整个机器人控制系统平台的开放性。 具体任务如下： ( 1 ) 开发开放式网络机器人的视频传输模块，进一步完善开放式网络化机器人通讯平台； ( 2 ) 对开放式网络机器人控制器的控制算法及其实现技术展开研究，针对不同的算法理论，采用不同 的实现技术来实现算法； ( 3 ) 运用神经网络口阶逆系统方法进行机器人的解耦和轨迹跟踪控制。 1 3 本文内容安排 本文共分为六章。 第一章为绪论。 第二章系统介绍了开放式网络化机器人控制系统平台的研制成果，分别从机器人控制系统的控 制器结构和网络通讯平台的框架进行介绍，其中给出了系统的结构图以及一些参数。 第三章分析介绍了网络通讯平台视频传输模块的实现思路和具体实现方法，其中介绍了视频传 输模块中使用的网络传输层协议，以及总结了整合后的系统平台的一些特点。 第四章系统介绍了开放式网络化机器人控制系统平台的算法实现技术及策略，最后给出了一种 简单控制算法的实现。 第五章详细介绍了逆系统方法和神经网络a 阶逆系统方法，以及神经网络口阶逆系统方法在机 器人解耦控制中的工程实现过程和结果，并对工程实现过程中的一些关键技术作了总结和分析。 第六章总结了本论文所作的主要工作，对其中的一些结果提出了自己的观点，并对今后需要进 一步研究的问题进行了展望。 第2 页 第二章开放式网络化机器人控制平台 第二章开放式网络化机器人控制平台 开放式网络化机器人控制平台是一个硬件和软件的综合实体。本文的所有研究内容将基于该平 台来完成，熟悉和了解该平台，对于后续对该平台的进一步完善和扩展，以及在该平台下进行机器 人控制算法的研究较为关键，所以在介绍本文具体的研究工作之前，有必要对整个系统的整体结构 和实现过程进行介绍。 下面针对机器人平台的主要部分机器人控制器和网络软件平台逐一进行介绍，并根据课题 研究的需要给出硬软件的主体结构。 2 1 机器人控制器概述1 机器人控制器部分是整个机器人控制平台的核心部分，是机器人的“神经中枢”。 传统的机器人控制器多为封闭式，主要采用专用计算机作为系统上层主控计算机；在系统的内 部采用专门的机器人语言进行离线编程和开发；采用专用的微处理器对机器人各关节进行单独伺服 控制，并将伺服控制伺服固化在e p r o m 中。这种封闭式的控制器虽然能够满足工业生产中的某个 特定要求，以及在一定情况下具有较好的效率，但是它还是给研究开发和工业生产带来了种种弊端。 这些弊端主要表现在：无法对系统进行进一步研究：给用户的维护带来诸多不便：无法对机器人系 统进行升级和重用，一旦满足不了用户需求，将是一堆“废铁”。 开放式机器人控制器设计从根本上解决上述问题，其主要思想为： ( 1 ) 使用基于非专用计算机平台的开发系统： ( 2 ) 使用标准的操作系统和标准的控制语言； ( 3 ) 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口； ( 4 ) 使用网络策略，允许工作单元控制器共享数据库，并允许远程操作。 根据上述思想所设计的机器人控制器系统是一个复杂系统，在这里把复杂系统抽象成一个个忽 略具体细节的功能模块，各模块之间有各自简单的接口。通过体系结构设计，可以从总体上对机器 人控制器设计进行把握。 首先，对机器人控制器的体系结构进行介绍。体系结构图见图2 1 。 f t h f r n f t 图2 一l 控制器体系结构图 第3 页 东南大学硕士学位论文 该结构主要由示教盒、p c 、运动控制卡、伺服放大器等构成，相互间接口简要分析如下： ( 1 ) 示教盒连接至p c ，提供用户机器人操作的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶屏 显示控制功能。示教盒采集键值后发送至p c 机，p c 机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示控 制功能则根据主机返回信息控制液晶屏做相应信息显示。 ( 2 ) p c 与运动控制卡之间通过总线或者双端r a i 通讯。运动控制卡进行闭环控制( 位置、转速) ， 完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，p c 机则完成人机接口功能以及其他一些低实时性要求 的计算任务，如：示教盒通讯、以太网通讯、轨迹规划、轨迹插补等。p c 和运动控制卡间以给定位 置序列作为接口：p c 发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列的闭环伺 服控制。 ( 3 ) 伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控 制等。 ( 4 ) p c 机与e t h e r n e t 连接以实现机器人网络控制。e t h e r n e t 由于其良好的普及性、兼容性， 逐步成为工业控制的标准。 2 2 控制器的硬件系统构成9 1 机器人控制器的硬件部分主要由五个部分组成：p c i 0 4 嵌入式p c ，p m a c 2 一p c 1 0 4 多轴运动 控制卡及附件，安川伺服放大器及电机，新松机器人本体和新松机器人示教盒。 ( 1 ) p c i 0 4 嵌入式p c 主板：安勤p c m 一3 6 1 03 5 寸主板： c p u ：v i a8 0 0 m 低功耗处理器； 内存：1 4 4 脚2 5 6 ms d r a m ，最高支持5 1 2 ms d r a m ； i d e ：支持双i d e 设备，d m a l 0 0 ： 总线：1 6 位p c 1 0 4 接口； 串口：r s 2 3 2 一个，r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 一个： 网卡：双e t h e n e t 接口，1 0 0 1 0 m 自适应，8 0 2 3 ； 硬盘：希捷7 2 0 0 转4 0 g ； 其他：看门狗，集成显卡、声卡，p s 2 鼠标、键盘，液晶显示器等。 ( 2 ) p m a c 2 一p c 1 0 4 多轴运动控制卡及附件 p m a c 卡简介 p m a c 2 一p c 1 0 4 ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t a 公司推出的开放式 多轴运动控制器。p m a c 2 一p c 1 0 4 内部使用了一片m o t o r o l ad s p 5 6 3 1 1 数字信号处理芯片，它的 速度、分辨率、带宽等指针远优于一般的控制器。该卡可以同时控制卜8 个轴，每个轴的控制都 是完全独立的。p m a c 伺服控制算法为p i d 算法或者扩展伺服算法( 零极点表示方式) ，标准伺服 周期为2 0 4us ( 4 0 m h zd s p ) 。 p m a c 卡具有伺服控制和可编程逻辑控制的能力，伺服控制功能通过运动程序实现，其伺服 更新率约为4 9 k h z ，可编程逻辑控制功能通过p l c 程序实现，可编程逻辑控制的循环时间最多 第4 页 第二章开放式网络化机器人控制平台 为1 0 m s 。并且t p m a c 可自动判别任务的优先级。 运行运动程序时，p m a c 一次执行程序的一行语句，并且首先进行该语句( 包括非移动的任务) 的所有计算，然后开始执行该语句对应的运动。p m a c 卡总是工作在实际运动之前，当需要时， 它总能正确的与即将执行的动作相协调。当运动程序在前台运行时，p m a c 可以在后台运行多达 3 2 个p l c 程序。p l c 的命名是可编程逻辑控制器，因为它们以一种相似的方式工作，在处理器 时间允许的情况下尽可能快的重复扫描他们的操作。p l c 程序可以极高采样速率监视模拟输入和 数字输入、设定输出值、发送信息、监视运动参数、改变增益值、以及命令运动程序停止启动， 但p l c 程序不能执行运动控制语句。通过运动程序和p l c 程序的配合运行，p m a c 能很好地完成 实时性强的多任务控制。 除了运动控制程序和p l c 程序外，p m a c 还提供了“在线命令”供用户进行实时操作，用户 通过主机发送a s c i i 码形式的“在线命令”到p m a c ，p m a c 接收后立即完成相应操作，并同样发 送a s c i i 码形式的响应至主机。 p m a c 具有很强的计算功能，可以对变量、常量进行算术运算、逻辑运算。 p m a c 卡附件 p m a c 卡的附件主要有一块基卡，一块轴扩展卡( a c c l p ) ，一块通讯卡( a c c 一2 p ) ，一 块2 4 伏i o 卡( a c c 一3 4 a a ) ，一块5 伏i o 卡( a c c 一3 4 b ) 和两块编码器接口卡( a c c 8 d o p t 9 ) 。 p m a c 卡的特点【l 】 p m a c 卡最大的特点就是其开放式结构和良好的安全性。 开放式结构： 支持于主机的多种连接方式：串行方式，包括r s 2 3 2 ，r s 一4 2 2 ；并行总线方式， 包括p c x t a t ，v m e ，s t d 3 2 以及p c i 等。 连同伺服放大器，可控制多种类型的电机：直流电机( 包括有刷和无刷) ，交流电机和 步进电机等。 通过选用适当的由d e l l at a u 提供的选件，连接多种类型的位置反馈装置：增量编 码器，绝对编码器，旋转变压器，直线电压位移传感器，激光干涉仪和磁致伸缩位移 传感器等。 通过对卡内寄存器的操作，用户可以控制p m a c 板的特性。另外，p a m c 的微操作系 统( f i r m w a r e ) 也可通过i m e m e t 及时升级。 卡内可以同时容纳2 5 6 个运动程序和3 2 个p l c 程序，用户可以通过类似b a s i c 的 p m a c 解释语言进行程序开发，另外p m a c 也可对p l c 程序进行编译，使运行速度 更快。 安全性： 越程极限：p m a c 的硬件通过具有光电隔离的带上拉电阻专用限位开关输入接口直接 进行限位，也可以在程序中设置软件限位； 速度和加速度极限：当进行复合运动时，p m a c 运动控制器将每个轴的命令速度加速 度与用户定义的极限值相比较。如果命令值超过了程序的设定值，整个坐标系的运动 第5 页 东南大学硕士学位论文 将会减速，或者加速度值将被减小以保持在极限以内。 跟踪误差极限：致命极限。如果实际位置对命令位置的滞后超出预设值，就按照程 序设定关断出错电机或其他电机。这种情况发生在位置反馈消失或者电机发生故障时 刻。警告极限。p m a c 2 运动控制器和主机( 或二者) 发送一条消息，警告发生了一个 非致命跟踪误差。 伺服输出极限：可以为电流环放大器的力矩和速度环放大器的速度设定一个极限，使 伺服输出值在放大器的允许范围以内。 计时器极限：在板的“看门狗”计时器，可以提供对来自p m a c 板本身的故障进行反应 的功能，通常是关断p m a c 板。供电电压不足，就可触发这种关断。 异常终止：p c 为每个电机通道都提供了异常终止信号入口。一旦有信号输入， p m a c 将终止当前坐标系中所有轴的运动。 ( 3 ) 安川伺服放大器及电机 安川s g d m 系列伺服放大器为日本安川公司产品，该伺服放大器使用极为灵活，通过参数设置和 连线调整，能工作于各种工作方式，如位置输入方式、速度输入方式、力矩输入方式，从而大大提 高了系统的可扩展性和可配置性。s g m p h 电机是与s g d m 系列伺服放大器配合使用的交流伺服电机。 该电机长度只有普通电机的一半，最高速度可达5 0 0 0 r p m ，具有较强的带负载能力，具有高速高精 度的运转特性。 系统中主要用到s g d m 一0 8 a d a 三个，主要用于机器人的l 一3 轴的伺服驱动；s g d m 0 8 a d a 三个， 主要用于4 6 轴的伺服驱动：g m p h 一0 8 a 1 a 交流伺服电机三个，主要用于控制机器人1 3 轴，1 6 位绝对位置码盘；s g m p h 一0 1 a l a 交流伺服电机三个，主要用于控制机器人4 6 轴，1 6 位绝对位置码 盘。 ( 4 ) 新松机器人本体 采用沈阳新松机器人本体，为六自由度多关节机器人，详细参数如下表： 参数指标 结构形式垂直关节型 负载能力 6 k g 重复定位精度 0 0 8 m m 自由度数 6 每轴最大运动范围 回转( s 轴，轴号1 ) 1 7 0 。 下臂( l 轴，轴号2 )+ 9 0 。，一1 5 0 。 上臂( u 轴，轴号3 ) + 1 5 0 。一1 1 0 。 横摆( r 轴，轴号4 ) 1 8 0 。 俯仰( b 轴，轴号5 )1 3 5 。 回转( t 轴，轴号6 ) 3 5 0 。 最大速度 第6 页 、 第二章开放式网络化机器人控制平台 回转( s 轴) 1 2 0 。s 下臂( l 轴) 1 2 0 。s 上臂( u 轴) 1 4 0 。s 横摆( r 轴) 3 0 0 。s 俯仰( b 轴) 3 0 0 。s 回转( t 轴) 4 0 0 。s 允许转矩 横摆( r 轴) 1 1 7 n m 俯仰( b 轴) 9 8n m 回转( t 轴)5 8 n m 最大回转半径 1 5 8 5 m m 允许惯性力矩g d 2 4 横摆( r 轴) o 2 4 k g ，m 2 俯仰( b 轴) 0 1 6 k g ，m 2 回转( t 轴) 0 0 6 k g ，m 2 电源3 相3 8 0 v 5 0 h z 表2 一l 新松机器人本体参数表 ( 5 ) 新松机器人示教盒 新松机器人示教盒为手动操作机器人设备，和主机通过串口通讯，并提供急停按扭。 结构显示 8 位微处理器，带8 k f l a s he e p r o m 3 2 0 x 2 4 0 液晶显示模块 8 k 静态r a m ，2 5 6 k e p r o m ( 固化汉字库)文字语言中文、英文 标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 串口通讯 图形显示控制器s e d l 3 3 0 ，带3 2 k x 2 静态r a m 8 x 7 矩阵式键盘接口 显示方式背光液晶画面 表2 2 新松机器人示教盒参数表 第7 页 东南大学硕士学位论文 2 3 控制器的硬件总体框图d 3 例2 2 控制器硬件总体框图 上图2 2 为机器人控制器硬件总体框图。图中p m a c 模块包括基卡、轴扩展卡、通讯卡，并把基 卡j m a c h a 端口( 卜4 轴接口) 和轴扩展卡j m a c h a 端口( 卜4 轴接口) 统一为一个端口，标注为j m a c h a l 、 j m a c h a 2 。本系统使用了六个伺服放大器，每个伺服放大器有一个c n l 端口，将其编号为l c n 卜6 c n 6 。 本系统使用了两块绝对编码器接口卡( 以l ，2 标识) ，每块卡上各有四个j p 口和四个j e n c 口，昔 第。8 页 第二章开放式网络化机器人控制平台 1 的j p 口编号为j p 卜j p 4 ，j e n c 口编号为j e n c 卜j e n c ，卡2 的j p 口编号为j p 5 一j p 8 ，j e n c 口编号 为j e n c 5 一j e n c 8 。 图中有三组连线通过主控板完成，即该组连线的两端均连接至主控板，而后利用p c b 制板进行 信号连接，通过该方法可大大降低线路连接的复杂度并提高系统可靠性。图中这三组连线仍然以直 接连线表示，但走线时通过图中右中部的主控板( 连线部分) 。 另外图中省略了伺服放大器2 6 的连线( 图中用虚线表示) ，伺服放大器2 6 的连线与伺服放 大器1 的连线完全类似。 2 4 网络软件平台川 基于网络的机器人的思想是由k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年春首先提出的，其最初的构想是使公众 能够通过万维网访问和遥操作机器人，支持用户远程操作。由于现代网络技术的飞速发展，使得通 过网络进行机器人的操作成为可能。 开放式网络化机器人的网络软件平台是要在机器人硬件控制器的平台上增加网络功能，这也是 提高机器人的开放性的一种手段。网络软件平台的使用，使得机器人控制从本地操作到远程遥操作 成为可能。网络软件平台的主要功能是实现对远程客户实施有效管理以及方便远程客户不但能够对 机器人进行远程操作( 机器人的示教和再现) 而且能够通过网络进行机器人底层伺服控制算法研究。 结合开放时网络化机器人的设计原则，系统的结构设计如图2 1 所示： 孕蓊孕鞴晕赫孕赫 i n t e r n e tli本地网il c o r b a 机器人网络服务器 提供w e b 服务和 后台通讯服务 l a n 机器人服务器 内嵌开放式 机器人控制器 机 器 人 本 体 图2 3 开放式网络化机器人网络平台体系结构图 从上图可以看出，网络平台结构主要有三部分构成：远程客户机、机器人网络服务器和机器人 服务器。其中机器人网络服务器是外界和机器人控制器的枢纽，机器人网络服务器通过i n t e r n e t 网或本地网跟远程客户或本地客户互连，同时它又和机器人控制器通过c o r b a 分布式计算技术进行 第9 页 东南大学硕士学位论文 互连。 根据硬件体系结构，在软件的设计上主要采用三方通讯方式，即客户方、机器人网络服务器方 和机器人服务器方三者之间的通讯。三方之间的关系如下图： 客户 用户登录 与注册 机器人 操控界面 h t t p 机器人网络 通讯协议后台 通讯服务 o p 机器人服务器 图2 4 客户一机器人网络服务器一机器人服务器三方通讯关系框图 ( 1 ) 客户方：负责接收登录机器人网络服务器的客户的信息，通过对信息的处理，进行客户身 份注册和验证，验证通过后提供机器人操控界面，实现对机器人的控制。该部分是远程客户获得机 器人信息和控制权的直接途径。 ( z ) 机器人网络服务器方：负责w e b 服务和后台通讯服务，客户方获得的各类信息均由此提供。 w e b 服务器向客户提供登录与注册网页信息，管理、验证用户信息。后台通讯服务程序是机器人网 络服务器的主要工作单元，由它分别和机器人操控界面以及c o r b a 进行通讯以及数据信息处理。后 台通讯服务程序与机器人操控界面进行通讯，根据客户不同命令将各类信息经处理后传递给机器人 服务器方以完成对机器人的控制，与此同时，机器人的位置、速度等各类信息也由该后台通讯服务 程序负责传递给客户方供客户查看研究。 ( 3 ) 机器人服务器方：作为机器人服务器，提供单台机器人服务。根据机器人网络服务器的命 令与数据信息，利用底层驱动函数库控制机器人运行，并可获得机器人各类信息提供给客户。 客户与机器人网络服务器的初次通讯采用的是h 1 v r p 协议，在经过身份验证后客户即可获得机器 人操控界面。由于h t t p 是一种无状态协议，为了保留客户方和机器人网络服务器方当前连接中对方 的状态和信息，实现客户和机器人网络服务器之间保持长期连接的会话过程，采用为机器人网络控 制系统编制的专业通讯协议。这样做的目的主要是为了提高开放式网络化机器人控制系统的实时性。 由于j a v a 语言在网络应用中有着的巨大优势，采用b s 结构，降低了客户方程序的分发和更新 难度，因此机器人操控界面采用j a v aa p p l e t 方式编写，内嵌入w e b 页中可由客户方便下载。 对于机器人网络服务器上的后台通讯服务程序与机器人服务器上的机器人服务程序的通讯问 题，利用c o r b a 技术的跨语言跨平台及其“即插即用”的软总线特性，以解决后期项目和程序扩展 的问题。相比较利用t c p i p 协议进行开发而言，运用c o r b a 技术在先期开发过程中存在一定的难度， 但权衡利弊，最终选择c o r b a 技术开发还是有一定意义的。为此，在后台服务程序与机器人服务程 序之间采用的是c o r b a 支持的1 1 0 p 协议。c o r b a 编程运行环境采用了东南大学计算机系自行研制开 发的o r b u s ，本系统中使用的0 r b u s 为c + + 语言版。 网络软件平台中w e b 服务器选用的是w i n d o w s 2 0 0 0 + i i s 组合。 整个网络软件平台工作流程图如下图2 5 ： 第。l o 页 | 垂乡 第二章开放式网络化机器人控制平台 一一。一一。“。一一1 。+ 一 客户机i e ( 内嵌j a v aa p p l e t 插件) i 客户机 一匕_ = ：_ _ 二_ = _ 二_ j f _ = _ = _ = f _ = _ = _ = = _ 二_ _ 二：_ = _ = _ 二_ ! 一 。新用户 h 嚣糍 i i 提襄黔页 新用户 注册 信息 处理新用户 注册信息的 a s p 新用户 注册 信息 【l 】：默认 【2 】 h t t p ：登录 h t t p ( 1 ) ：网页 w e b 服务器 提供读取w e b 页 服务 合法 用户 登录 信息 处理合法用户 登录信息的 a s p 合法用户 登录 信息 s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库服务 一计算机外部网路通讯 【数字】 ( 数字) 2 5 小结 计算机内部总线通讯 窥粪交r 3 ，：罂塞机器人 i 状态 操控基于t c p i p i 数据 界面的 自定义 i 控制 网页应用层协议i 信息 双方 状态 数据 控制 信息 提供 处理并管理 合法用户连接、 实现与机器人控制器通讯 的后台服务 作为c o r b a 客户方 提供机器人调用服务 ( v i s u a lc + + 编制e x e 程序) ，一一一 合法用户调用执行先后顺序 新用户注册执行先后顺序 图2 5 网络平台工作流程图 i l 机器人 i 状态 1 1 0 pi 数据 i 控制 i 信息 i 1 1 。1 - _ 1 _ 。_ _ _ - 。_ 。一。一 作为c o r b a 服务方l 提供机器人服务 ( v i s u a lc + + 编写l e x e 程序) 机 器 人 网 络 服 务 器 机器人 服务器 本章主要介绍了整个开放式网络化机器人平台的控制器部分和网络软件平台部分。控制器部分 介绍了控制器的结构以及所使用的运动控制卡及相关附件。网络软件平台介绍了平台的整体结构和 工作流程。从整体上对该系统有个清楚的认识，有利用于后面的研究。 第1 1 页 东南大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章视频传输模块实现 从上一章的介绍可以看出，开放式网络化机器人控制平台已基本建立，本地控制和远程遥操作 均能实现，但对于一个开放式系统来说，系统能否继续扩展和升级是衡量其开放性的一个关键指标。 开发开放式网络化机器人通信平台的目的，就是让机器人控制从本地走向远程。就目前的控制平台 而言，本地操作可以安全实现和完成，这是由于本地操作人员可以根据现场的机器人动作调试情况 来确定操作是否应该继续或停止，完成这种判断，简单方便的方法就是观察机器人的实际运行状况 是否出现抖动、运行速度过快和超过限位位置等异常情况，但是远程操作人员就难以做到这一点， 他们仅仅从网络传输过来的一些机器人的实时数据来评估机器人的运行状况，而某些时候这些数据 的变化是很快的，很难从直观上产生与实际相符的机器人运行状况，基于对上述情况的考虑，本实 验室决定在原有的网络控制平台上增加网络视频传输模块，将视频监控的理念引入到机器人控制系 统中来，一方面可以实时地将机器人运行情况通过视频的方式传输给远程操作人员，方便其操作； 另一方面也可以通过加入视频图像传输模块来检测整个控制系统的扩展性和兼容性，同时达到对系 统的完善。随着网络通讯技术的发展，网络视频传输在很多领域得到广泛的应用，如楼宇监控系统， 图像处理系统，网络流媒体在线直播等。借鉴其他系统的一些成功开发经验，有利于更好地解决实 际开发过程中所面临的诸多问题。 视频图像传输作为开放式网络机器人网络通讯平台的一个实现部分，是通过对机器人视频图像 的采集，然后进行图像数据处理，最后传输到客户端，在客户端操控界面上还原出视频图像来实现 的。视频图像传输模块主要涉及到后台通讯程序和客户端下载的a p p l e t 程序之间的通讯，通讯方式 和机器人信息传输基本相同。 一般来说，对于图像的采集，应该将图像采集卡安装在更接近工业现场的本地工控机上，通过 工控机采集和处理图像，然后发送到网络服务器，最后才对外部客户发送。但对于本实验室开发的 这套系统来说，存在一定的难度：首先，本系统机器人控制器使用的是嵌入式系统，硬件上难以保 证和图像采集卡有很好的兼容性：其次，工业现场存在很强的干扰，这给图像的采集带来不利的影 响：另外，将图像的采集处理交由工控机来处理，自然给工控机的运行增加了负担，这不但影响正 常的控制机器人的操作，而且给工控机和网络服务器之间的通讯带来压力。基于对以上不定因素的 考虑，本实验室采用将图像采集处理放到上一层( 网络服务器) 的方法，同样能收到不错的效果。 由于图像采集卡要求计算机的硬件配置比较高，作为网络服务器的本地主机相对来说能满足这 方面的要求。本实验室采用的是p i v 2 6 g 处理器和2 5 6 md d r 内存的主机配置。图像采集卡为天敏公 司生产的天敏系列2 0 0 0 p l u s 图像采集卡，另外配备其他图像采集相关附件。 3 2 传输层协议随1 传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 是t c p i p 协议中的两个传输层协议，它们使用 第1 2 页 第三章视频传输模块实现 i p 路由功能把数据包发送到目的地，从而为应用程序及应用层协议( 包括：h t t p 、s m t p 、s n i f i p 、 f t p 和t e l n e t ) 提供网络服务。 t c p 提供的是面向连接的、可靠的数据流传输。面向连接的协议在任何数据传输前就建立好了 点到点的连接。可靠的传输协议可避免数据传输错误。其实现方式是：在构造数据包时在其中设置 校验码，到达目的地后再采用一定的算法重新计算校验码，通过比较二者，就可以找出被破坏了的 数据。因为需要重发被破坏了的和已经丢失的数据，所以在需要重发数据时协议必须能够使目的地 给出源头的一个确认信号。有些数据包不一定按照顺序到达，所以协议必须能够探测出乱序的包， 暂存起来，然后把它们按正确的次序送到应用层中去。另外，协议还必须能够找出并丢弃重复发送 的数据。一组定时器可以限制针对不同确认的等待时间，这样就可以开始重新发送或重新建立连接。 数据流传输协议不支持位传输。t c p 不能在一个包内以字节或位为单位构造数据，它只负责传输未 经构造的8 位字符串。 u d p 提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。非面向连接的传输协议在数据传输之前不 建立连接，而是在每个中间节点对非面向连接的包和数据包进行路由。没有点到点的连接。当一个 u d p 数据包在网络中移动时，发送过程并不知道它是否到达了目的地，除非应用层已经确认了它已 到达的事实。非面向连接的协议也不能探测重复的和乱序的包。标准的专业术语用“不可靠”来描 述u d p 。 如果比较u d p 包和t c p 包的结构，很明显u d p 包不具备t c p 包复杂的可靠性与控制机制。与t c p 协议相同，u d p 的源端口数和目的端口数也都支持一台主机上的多个应用。一个1 6 位的u d p 包包含 了一个字节长的头部和数据的长度，校验码域使其可以进行整体校验。很明显，当数据传输的性能 必须让位于数据传输的完整性、可控制性和可靠性时，t c p 协议是当然的选择。当强调传输性能而 不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用，u d p 是最好的选择。在数据传输时间很短，以至于 此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，u d p 也是一个好的选择，如：d n s 交换。以前t c p 丰 富的功能有时会导致不可预料的性能低下，但是现在，t c p 可靠的点对点连接越来越为绝大多数的 网络所应用。 在局域网内进行视频数据传输时，t c p 协议和u d p 协议的效率基本上是相同的。对于本系统来 说，网络通讯的功能实现的是对机器人控制字，机器人状态字以及机器人图像的传输。从机器人运 行安全的角度考虑，要求机器人控制字的传输必须具有极高的正确率，因此系统中使用t c p 传输层 协议来传输机器人控制字和状态字。对于机器人图像数据的传输来说，由于实现的功能是监控功能， 只要能获得流畅的图像就可以，因此对其所传输数据的完整性并不做过多的要求。另外，在与多个 客户进行通讯时，以t c p 协议方式传输图像数据必须建立多个点对点通讯连接，这必然会占用较多 的带宽，为机器人控制系统的运行带来不安定因素。基于以上考虑，本系统中的视频传输模块采用 u d p 协议，以组播的方式进行视频传输。“组播”也称为“多点传送”( m u l t i c a s t i n g ) ，是一种让数 据从一个成员送出，然后复制给其他多个成员的技术，也就是对网络上某组特定i p 地址( 组播地址) 进行数据传输。采用这种技术，可有效减轻网络通信的负担，避免资源的无谓浪费。 第1 3 页 东南大学硕士学位论文 3 3 视频传输模块设计 3 3 1 客户端设计 3 3 1 1 设计思路 在原来的网络平台上，客户端程序主要增加了视频图像接收显示线程，仍然采用j a v a 语言编写。 当客户点击连接按钮控件后，激发视频图像接受显示事件，该事件创建u d ps o c k e t 套接字( s o c k e t 是一种网络编程接口，它是实现数据传输的一种特殊i 0 ，借助于s o c k e t 套接字，所开发的s o c k e t 应用程序可以通过网络与其他s o c k e t