基于IPC的开放式工业机器人控制系统研究

1、第卷第期年月机电产品开发与创新，开发与创新，基于的开放式工业机器人控制系统研究马琼雄，吴向磊，李琳，张铁（华南理工大学机器人研究所，广东广州）摘要：开放性是现代机器人控制系统的实现目标之一。开放式工业机器人控制系统采用基于工业计算机（）结合运动控制卡的结构形式，并借鉴（）等典型的机器人控制系统软件体系结构设计了分层模块化的软件系统，使得现有的机器人控制系统只需要做少量的修改就能应用到不同的场合。关键词：开放式机器人；控制系统；软件体系结构；分层模块中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言现代化工业生产和机器人研制，要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的编程环境，以适应不同的应用场合。不同的应

2、用领域需要机器人控制系统，能够集成不同的周边设备和多种软件功能模块，并且希望控制系统可以在不同的软硬件平台间进行移植。目前，开放式机器人控制系统的研究主要工作集中在：机器人控制结构的定义，实现系统部件的模块化，接口的标准化，提高软件代码的复用性、效率、可维护性等，为用户提供方便的任务描述和编程环境。作者所在课题组研制的六自由度关节型工业机器人，以喷涂作业为主要应用对象，并能将机器人的应用范围扩展到焊接、搬运、装配等方面，因此在研发的过程中，需要设计合理的控制系统结构和选择具有开放性的硬件平台体系，能根据需要更换不同的硬件设备，在机器人控制系统软件体系方面，要求各模块之间相互独立，能够根据需要增

3、删应用功能模块，扩充轨迹规划和伺服控制算法等，最终使得机器人只需要做最小的改动就能够应用到不同的场合。系统。基于总线的机器人控制系统主要有两种形式：第一种方式是机加运动控制接口卡的形式。接口卡本身不带，只能得到各关节量数据，送入机，经机的伺服程序计算后得到控制量，并通过接口板将其转换为伺服电机的控制量。为了满足机器人控制对实时性的要求，上运行实时操作系统，如等，或者是采用普通的操作系统加实时扩展环境，可以利用操作系统完备的软件开发环境和丰富的软件资源。这种方式构建的系统具有很高的灵活性和扩展性，但开发难度比较大，没有充分利用目前市场上已有的实时运动控制产品，而且的价格也比较贵。第二种方式是机加

4、运动控制卡的形式。近年来，以为核心的运动控制卡商品化程度越来越高，可以将多个轴的运动控制集成在一块卡上。这类运动控制卡本身可以实时完成伺服运动的控制细节，并提供开放的函数库供用户在上构建自己所需的控制系统，机只需要完成系统管理、系统状态监控、运动规划、控制指令发送等任务。本文研究的机器人控制系统采用工业机加运动控制卡的形式，操作系统采用。运动控制卡采用，选用一块，三块，以及一块（光电隔离板）。控制系统硬件体系结构方案的选择目前，开放式机器人控制系统的硬件体系结构大致可以分为两类：基于总线的系统和基于总线的收稿日期：作者简介：马琼雄（），男，广东汕头人，在读硕士。主要研究方向：机器人技术及其应用

5、；吴向磊（），男，河南项城人。控制系统硬件结构是一台完整的实时多任务计算机，能够同时执行多个任务并能正确地进行优先级排序，完全可以完成伺服运动控制的所有细节。它适应多种硬件平台，几乎适合于控制所有的电机，可以接收各种检测元件的反馈。机器人控制系统硬件结构如图所示。示教盒与工业机之间使用通讯，用户通过开发与创新机器人交流伺服电机限位零位开关示教盒伺服放大器是依照功能而构造的机器人控制系统软件体系结构而且在分层方面考虑了功能间的包容关系和考虑了不同层次是面向不同用户的，是一种能够集成工业机器人控制和编程的体系结构框架。在这种体系结构中，更多地关注了系统高层与低层之间的关系，把复杂系统分解成若干个可

6、处理的部分，每个部分对外部行为给出一个简单的接口，忽略或在某种程度上简化内部行为针对不同的功能。许多学者和研究机构都提出了自己的层次模型。通讯工业以太网和其他机器人通讯通讯运动控制卡接口板周边设备图控制系统硬件结构框图使用示教盒来完成对机器人系统的操作。机器人与机器人之间使用工业以太网通讯。与机的通讯采用总线和两种方式。采用方式，在数据存取时不需要经过通讯口发送命令和等待响应，同时提供了许多自动数据反馈功能，用户还可以通过使用的变量来指定中还没有被使用的寄存器。主机使用模型将系统划分成三大层次：伺服层、系统层和终端用户层。为了保证系统的灵活性和高效性，在实现时采用了对各个功能模块分别编译，而运

7、行时采用动态链接的方法将己编译的功能模块动态地链接起来实现一个完整的应用功能。随着软件工程和机器人研究的发展，研究人员在现有体系结构上进行了更深入的研究和提出新的框架，同时使用现代软件工程的思想如面向对象，组件化等对机器人软件系统进行分析设计和实现，。可以实时向重复下载位置数据，可以从重复快速地获得状态信息，如伺服电机的状态、位置、速度等数据，因此系统实时性显著提高。伺服轴的控制通过运动程序来完成。机完成上层的运动规划，通过解释器将机器人操作指令解释为的运动程序，下载到中执行，伺服运动完全可以只用系统软件以及运动程序来实现。使用的板实现机器人本体的限位、零位以及其他外部设备的量输入输出，的处理

8、功能转移到机上来实现而不使用内置的控制系统软件体系结构及模块说明控制系统软件体系结构参考了上述软件体系结构模型，设计为分层模块化的控制系统软件体系结构。软件体系结构分层图如图所示。终端用户层操作者功能是为了适应不同类型的运动控制卡。系统层伺服层机器人本体机器人控制系统软件体系结构典型开放式机器人控制系统软件体系结构等人提出的机器人控制系统体系结构融合了功能型分层式体系结构与行为型集中式体系结构。在体系结构上主要可以分为分布式功能层和控制它的中心决策层。为了提供一种能够构建程序的框架和运行管理程序的运行机制，该体系结构引入了通用模块。分布式功能层在控制系统中具有如下几方面重要的功能：该层通过调用

9、不同功能的控制模块，向系统提供不同物理资源或逻辑（数据）资源的服务；它可以控制系统的服务。当接收到一个包含输入参数的服务请求后，该层将在请求发送方和服务提供模块之间建立客户服务器关系；功能层在运行过程中会根据实际应用的需要在每个模块间建立起动态的调用关系。不同功能的通用模块组合在一起可以完成一个具体的应用功能。在模块执行的过程中，功能层通过使用来完成数据交换。是一种可以被系统所有组件读，只能被拥有者写的结构化共享存储器。由于的存在，对于数据的连续更新是公开的。图软件体系结构分层图操作者通过终端用户层对机器人系统进行操作。示教盒和系统层通过方式通讯，将终端用户层的操作数据发送到系统层，系统层对数

10、据进行解析，得到操作命令和操作参数，进行操作调度，机器人语言解释，运动规划，并将计算得到的控制指令，发送到伺服层中，由伺服层来完成机器人伺服运动控制的细节。这三层分别在三台不同操作系统的计算机中实现。终端用户层在示教盒上实现，操作系统为；系统层在上实现，操作系统为；伺服层在上实现，操作系统为自身的操作系统。整个机器人系统的功能实现是通过三台计算机之间的相互配合来完成的。三层的开发人员根据项目需求以及本层的软硬件环境特性进行开发，无需了解其他层的技术细节。为了实现这个目标，必须将每一层中需要和其他层交互的部分，提取出来作为远程程序集，本层应用如果需要和其他层交互，则直接在本地调用远程程序集来实现

11、两个应用进程之间的通讯，各层交互模型如图开发与创新示教盒（终端用户层）和系统层交互远程程序集远程程序集（系统层）和终端用户层交互和伺服层交互通讯组件（伺服层）所示。提供了模块，将一段机器人语言代码解释为的运动控制程序，并下载到上执行，操作者通过观察机器人的运动情况对机器人语言程序进行编辑。当对一个工程任务中所有工件的操作都示教编程和示教检查结束后，将所有工程相关的机器人语言程序翻译为运动控制程序，工作再现时，只需要将解释好的运动控制程序下载到中并执行。系统监控功能由状态监控和故障诊断两部分配合完成。状态监控通过通讯组件获得伺服层的伺服状态数据，提供给示教盒上的用户查看和故障诊断的数据输入。故障

12、诊断从状态监控模块获得参数来判断当前机器人系统工作是否正常。辅助功能和上述三部分共同组成了机器人控制系统的软件部分。通讯通讯函数库，因此只需要在该函图各层交互模型数库的基础上按机器人系统的需求使用重新封装一个通讯组件供系统层和伺服层交互的进程使用。终端用户层和系统层之间的应用进程交换需要开发一组远程程序集来支持。远程程序集的实现基础是通讯模块，程序集中的函数负责完成进程通讯数据的打包和拆包以及完成两台计算机之间的通讯细节。在系统层借鉴了等人提出的，该不仅负责系统伺服状态数据，同时也管理着用户的操作数据，用户的操作数据在终端用户层和系统层各自有一张相同格式的数据表来维护，可以减少两个层之间的数据

13、交换量，简化了应用进程之间的通讯协议。因此三个层的开发、测试、维护以及功能扩展等都可以独立进行。从操作者使用机器人系统的角度划分系统的功能模块，模块组成结构图如图所示。软件系统总结为特定应用开发一种机器人系统是非常复杂的过程，随着机器人在工业应用的普及，机器人控制系统应该设计为可以根据需要进行改造，可以很容易集成新的硬件以及添加新的软件模块，以适应更广泛的应用环境。基于的机器人控制系统提供了很好的开放条件，但对于最后控制系统能否更好的具有开放性还取决于软件体系的设计以及实现方法。在机器人软件开发过程中应当吸收当前软件工程的先进思想和设计理念，从系统的需求分析到设计、实现、测试等都应当有成熟的模型来描述，如何采用适合机器人控制系统软件开发的工程方法来实现控制系统，将是开放式机器人控制系统的一个研究重点。参考文献：张广立，付莹，等基于的开放式机器人实时控制系统上海交通大学学报，：，：，万俊君，戴先中，等开放式机器人控制系统设计和实现现代电子技术，控制参数包括各轴系统监控辅助功能系统管理系统加工速度、加速度、停机位置、工作空帐号管理控制参数工艺参数状态参数示教编程示教检查工作再现状态监控故障诊断故障恢复系统调试文件管理间及参数等等，系统的工艺参数包含机器图软件系统功能模块组成结构图人对不同加工对象的工