一種工業(yè)機(jī)器人三層軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸偉

(安徽安利材料科技股份有限公司，工程環(huán)保部 安徽　合肥　230601)

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一種工業(yè)機(jī)器人三層軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸偉

(安徽安利材料科技股份有限公司，工程環(huán)保部 安徽合肥230601)

提出了一種新的適用于少自由度的工業(yè)機(jī)器人的軟件架構(gòu)參考模型，該模型采用軟件分層理論，將機(jī)器人軟件系統(tǒng)合理的分為三層，這種架構(gòu)避免了傳統(tǒng)的自上而下的軟件結(jié)構(gòu)方式的信息冗余和邏輯復(fù)雜等問題，并具有很好的軟件擴(kuò)展性和適用性。最后，在VisualC++6.0編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了該架構(gòu)模型，并驗(yàn)證了其在4軸工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人中的應(yīng)用。

三層軟件架構(gòu)模型；工業(yè)機(jī)器人；工業(yè)應(yīng)用；軟件設(shè)計(jì)；MFC實(shí)現(xiàn)

0　引　言

隨著工業(yè)化步伐的加快，機(jī)器人越來越多地被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中以取代人的工作[1]。而對于工業(yè)機(jī)器人來說，軟件的作用是毋庸置疑的，面對多變復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)修改有限的情況下，對軟件系統(tǒng)提出了更高的要求，一個(gè)合理優(yōu)化的軟件架構(gòu)對軟件可靠性是至關(guān)重要的，這不僅僅能夠提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性同時(shí)也能提高機(jī)器人的生產(chǎn)效率和機(jī)器人的適用性。在傳統(tǒng)的基于至上而下的軟件設(shè)計(jì)理論中，它所能適用的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較單一，通用性往往受到限制[2],而軟件分層的思想在機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)提出，E. Freund和J. Rolmann等提出了軟件分層的概念，并驗(yàn)證了這種軟件架構(gòu)在智能機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用[3]；由于機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般都是封閉性，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，而機(jī)械本體結(jié)構(gòu)適應(yīng)情況有限，這就對軟件的可修改性提出了更高的要求，要求我們采用開放式系統(tǒng)理論來搭建工業(yè)機(jī)器人的軟件架構(gòu)[4-5]。目前機(jī)器人的開放式理念和分層架構(gòu)也是機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的研究熱點(diǎn)之一，Klas Nilsson, Rolf Johansson等從用戶的使用角度，提出了一種軟件分層的編程思想，并在機(jī)器人編程和控制中應(yīng)用， Andr’e Schneider de Oliveira等闡述了在機(jī)器人任務(wù)交互時(shí)采用了五層開放式軟件架構(gòu)[6]。Dilip Kumar Limbu等人根據(jù)系統(tǒng)的感知，控制，識別，和設(shè)備進(jìn)行分層來搭建軟件架構(gòu)[7]。張廣立、談世哲等在Windows NT加RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的情況下，在三個(gè)層次上對機(jī)器人系統(tǒng)軟件劃分模塊[8]。 然而將軟件分層的概念應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的文獻(xiàn)還未見報(bào)導(dǎo)，本文則提出了采用三層開放式軟件架構(gòu)模型來搭建工業(yè)機(jī)器人的整體軟件系統(tǒng)，并在四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)中驗(yàn)證了該架構(gòu)模型可以有效的避免機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理過程中的信息冗余和邏輯復(fù)雜等問題，提高機(jī)器人的效率。

1　三層開放式軟件架構(gòu)模型

1.1概述

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)主要分成示教，運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)測三個(gè)部分，示教也就是相當(dāng)于工業(yè)機(jī)器人的可視化人機(jī)接口，而運(yùn)動(dòng)控制則主要完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和軌跡生成，而狀態(tài)檢測部分則主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的狀態(tài)信號。市場上一些做的比較成熟地機(jī)器人，如KUKA，OTC，ABB等，都采用上述的控制模式。而在軟件方面大多數(shù)都才用至上而下的控制模式，在應(yīng)用方面，由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)控制過程中，運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃要經(jīng)過大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，采用這種至上而下的結(jié)構(gòu)，示教、決策和底層信號監(jiān)測采用一個(gè)模式，必定會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在運(yùn)行中有大量的時(shí)間浪費(fèi)在數(shù)據(jù)運(yùn)算方面，而且容易導(dǎo)致機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中邏輯出錯(cuò)[9]，這樣很大程度降低了機(jī)器人的運(yùn)行效率，一些學(xué)者雖然研究了一些優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)控制算法[10-12]，但是很少有從軟件結(jié)構(gòu)方面考慮這個(gè)問題。

1.2三層開放式軟件架構(gòu)

三層開放式軟件架構(gòu)模型，首先是三層的思想；主要是應(yīng)用面向?qū)ο蟮乃枷?，將軟件進(jìn)行合理的封裝成為相對獨(dú)立的各個(gè)層，層與層之間采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從工業(yè)機(jī)器人的硬件構(gòu)成模塊來看，主要是分三個(gè)部分：示教，數(shù)據(jù)管理和機(jī)器人本體；根據(jù)硬件的模塊構(gòu)成，我們將軟件也分為三層：頂層會(huì)話層，中間決策層和底層物理層，分別對應(yīng)硬件三個(gè)至上而下的模塊，各個(gè)部分獨(dú)立工作而又相互協(xié)作。其次，作為一個(gè)開放式結(jié)構(gòu)，軟件的系統(tǒng)必須有開放的接口，使得用戶可以根據(jù)自己的需要定制自己的功能，同時(shí)能夠保證穩(wěn)定性。軟件的開放性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)軟件的可移植性、便于升級和軟件復(fù)用、交互性和分布性、效率和健壯性等方面[13],本軟件系統(tǒng)采用開放式體系主要是體現(xiàn)在系統(tǒng)的功能復(fù)用，便于升級，交互以及健壯性方面。

三層軟件架構(gòu)主要是將控制系統(tǒng)軟件所完成的各個(gè)任務(wù)進(jìn)行分層，分為會(huì)話層、決策層和物理層。會(huì)話層主要是用來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和用戶之間的信息交互，該層應(yīng)具有友好的人機(jī)界面，方便進(jìn)行人機(jī)交互；中間層是作為機(jī)器人核心層，主要是實(shí)現(xiàn)信息融合，數(shù)據(jù)處理以及指令決策等功能；該層具有開放式的用戶接口，通過這些軟件接口用戶可以方便的進(jìn)行軟件擴(kuò)展和二次開發(fā)；物理層是和硬件相關(guān)的，用作監(jiān)測機(jī)器人狀態(tài)，該層提供和硬件相關(guān)的動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過調(diào)用這些庫函數(shù)能夠很好的訪問硬件資源。圖1是軟件架構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　三層軟件架構(gòu)

從上面的架構(gòu)圖可以看出，軟件的分層可以有效的降低各個(gè)模塊中之間的耦合性，每個(gè)層獨(dú)立運(yùn)算，同時(shí)存在信息交互，保證機(jī)器人各個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2　軟件架構(gòu)模型測試

2.1測試系統(tǒng)

本架構(gòu)實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備使用的是工業(yè)現(xiàn)場的搬運(yùn)機(jī)器人，會(huì)話層用一個(gè)示教器，作為人機(jī)接口，示教器的硬件部分采用的是帶有觸摸屏的嵌入式PC機(jī)，軟件部分是自主開發(fā)的軟件界面，負(fù)責(zé)完成與用戶的任務(wù)交互；其決策層使用一臺工業(yè)PC機(jī)，由于工業(yè)PC機(jī)的性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)保證了決策層穩(wěn)定性；物理層主要采用一臺四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人和一些外圍器件來構(gòu)成，圖2所示的即機(jī)器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

圖2　機(jī)器人系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖2可知，工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)硬件模型主要是分三個(gè)層，能夠很好的和本文提出的三層軟件架構(gòu)吻合，這種軟件架構(gòu)對系統(tǒng)的總體資源進(jìn)行整合，有序的分層，使得機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)部分既能獨(dú)立運(yùn)行，也能相互協(xié)調(diào)，在不失效率的情況下增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的集成性，有效提高系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2基于Visual C++6.0軟件架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)

整個(gè)架構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)采用的是面向?qū)ο蟮乃枷雽Ω鞣N接口函數(shù)進(jìn)行封裝，基于MFC對話框的模板制作電機(jī)控制的可視化界面。接口函數(shù)的封裝主要包括CVisualLayer類，CStratagyLayer類，以及CPhysicalLayer類等三個(gè)類的封裝。為了增強(qiáng)軟件的開放性，各個(gè)層之間的通信采用字符指令模式，使得后續(xù)的軟件擴(kuò)展簡單易行，提高用戶的可操作性。

首先，CVisualLayer類主要包括:

void CommandInput(…);

他曾仕途正順，卻辭官下海；他不懂包粽子，卻成為中國的“粽子大王”，他帶領(lǐng)五芳齋堅(jiān)守品質(zhì)之道，經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的變遷，鑄就了家喻戶曉的金字招牌；他啟用現(xiàn)代化的管理方式促成五芳齋品牌規(guī)模持續(xù)壯大，也成為嘉興的一張城市名片。

void Interface(….);

void CommandOutput(…);

等接口函數(shù)。Interface()用作函數(shù)接口擴(kuò)展，CommandInput()和CommandOutput()用作指令的輸入輸出。

CStratagyLayer類中封裝的函數(shù)和CvisualLayer類不同，作為系統(tǒng)的核心層，主要完成信息交換、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)決策，如：正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃、動(dòng)態(tài)生成機(jī)器人移動(dòng)路線等，其主要封裝的函數(shù)有：

void Communication(…);

void RobotKinmatic(…);

void RobotTraj(…);

void ImformationAcquire(…);

void SendMessage(…);

等等，通過socket偵聽上下層發(fā)來的消息，在消息處理的過程中，支持中斷優(yōu)先級排隊(duì)。采用搶占式調(diào)度方式，提高機(jī)器人控制的安全性。

CPhysicalLayer類主要是作為底層對象的封裝，對機(jī)器人物理信號的監(jiān)測，是軟件和機(jī)器人的直接通信層。主要完成，數(shù)據(jù)采集，信號傳遞等功能。主要封裝的函數(shù)有

圖3　四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人本體

voidDataAcquire(…);

void IoMannual(…);

等一系列對動(dòng)態(tài)鏈接庫的操作函數(shù)。圖3所示為機(jī)器人本體，圖4所示的為機(jī)器人動(dòng)態(tài)示教操作界面。

圖4　機(jī)器人示教操作界面

通過示教編程操作，使得機(jī)器人按照編程規(guī)定的路徑進(jìn)行運(yùn)。從軟件運(yùn)行的狀態(tài)顯示欄，可以觀察到電機(jī)的位置，速度，加速度(單位是counts/s)等狀態(tài)，通過對狀態(tài)的觀察，可以得知電機(jī)的加速度連續(xù)和速度平穩(wěn)。

2.3測試結(jié)果

搬運(yùn)機(jī)器人碼垛的產(chǎn)品是25 kg 每袋的改性聚丙烯。經(jīng)過測試，四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人可以穩(wěn)定的運(yùn)行，機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)間有效縮短，機(jī)器人插補(bǔ)運(yùn)算平滑，能夠穩(wěn)定平穩(wěn)的進(jìn)行搬運(yùn)操作，能夠根據(jù)要求完成相應(yīng)規(guī)格的碼垛，并可以通過實(shí)際的二次編程對機(jī)器人的各個(gè)層之間的功能進(jìn)行修改，定制用戶自己需要的功能，具有一定的開放性。得到的結(jié)論如下：

(1) 四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人能夠平穩(wěn)的搬運(yùn)和穩(wěn)定的運(yùn)行，本軟件架構(gòu)模型在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

(2) 采用開放式軟件結(jié)構(gòu)，使得用戶可以根據(jù)自己的需求定制相應(yīng)的功能，很大程度上提高了用戶的可操作性，提高了軟件的適用性。

3　結(jié)束語

本文根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際存在的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)算效率、軟件可靠性和實(shí)用性等問題，提出了一種適合工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的三層開放式軟件架構(gòu)，并通過四自由度工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本架構(gòu)模型能夠可靠運(yùn)行，增強(qiáng)系統(tǒng)的適用性，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

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Design and Implementation of a Three-layer Software Architecture for Industrial Robots

LU Wei

(Division of Engineering Environment Protection, Anhui ANLI Material Technology Co., Ltd., Hefei Anhui 230601, China)

This paper presents a novel software architecture reference model suitable for industrial robots with low mobility, which adopts software hierarchy theory to divide the robot software system reasonably into three layers. Such hierarchy avoids information redundancy and logic complexity of the traditional top-down software structure, and has superior software scalability and applicability. Finally, we implement this architecture model in the programming environment Visual C++ 6.0 and demonstrate its application in the 4-axis industrial transfer robot.

3-layer software architecture model, industrial robot, industrial application, software design, MFC implementation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.007

TP242.2; TP273+.5

A

1000-3886(2016)02-0018-02

陸偉(1969-)，男，安徽人，電氣工程師，專業(yè)：工業(yè)自動(dòng)化。

定稿日期: 2015-10-22