工业机器人控制系统的开放体系结构

第24卷第3期 2002年5月 机器人ROBOT VoI．24。No．3 May，2002 文章姥号：1002·0446(2002)03—0256—06 工业机器人控制系统的开放体系结构 王天然 曲道奎 (中国科学院沈阳自莉化研究所扰陌110016) 摘要：本文分析研究了开放式机器人体系结构的研究进展．探讨了刺用PC技术、现场总线(CAN)技术以及 多传感技术，研究开发开放的工业机器人控制系统的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ．最后介绍了我们具有自主版权的开放式AIASUN一0SB 工业机器^控制系统． 关羹词；开放控削系统I机器^控铀系统结构；机器人控制,St器人硬件结构{机器^软件结构f模块结构 中圈分类导：TP24 文献标识码：A oPENSYSTEMARCHITECTUREFoRCoNTRoLSYSTEM FoRINDUSTRIALRoBOT WANGTian—ranQUDao—kui (Sh㈣gImmttitofAutomation，ChineseAcademyofSa'tnce$Shznyangii0016) Abstract：n-ispaperanalysestheresearchadvancesolltheopenrobotsystemarchitectureanddiscussesresearch anddeve[opmentissuespertinenttotheopencontrolsystemfortheindustrialrobot，usingPCtechnology，fieldbus (CAN)technology．andrnultisensorytechnology．Andfinally，anintroductionhasbeenmadeoftheopenAIA- SUN一06BcontrolsystemfortheindustrialrobotcopyrightreservedbySIA． Keywords：opencontrolsystem，robotcontrolsystemarchitecture，robotcontrol[or．robothardwarearchitec— ture，robotsoftwarearchitectuIe，modularafcb．iteeture 1 引言(Introduction) 在机器人学的研究中，机器人控制系统的体系 结构研究一直是人们关注的热点．多年来，体系结构 的研究主要着眼于机器人自身的技术进步与功能的 增强，比如满足智能控制体系的发展．随着机器人在 工业上的广莨应用，机器人已成为工业生产系统中 的一个标准部件．通过网络或者工业总线将生产线 上各种设备的控制系统有效连接，形成一个综合控 制系统，已成为现代生产装备的发展趋势，它将大大 加速整个控铜系统的数据与信息流通并真正实现共 享，同时方便产品设计人员和系统设计人员的程序 设计．然而，现代工业的生产设备是由不同厂家的设 备组成的．目前对于大部分设备来讲，若想将其综合 一起，成为一个自动化系统是很困难的，所以，工业 生产设备的开放性倍受关注．工业机器人控制系统 的开放性的研究除受自身技术发展促进之外，还受 收藕日期：Z001—04一10 到其它两方面积极因素的影响．一是在工业生产系 统中，开放的自动化设备控制器会给用户，生产者以 及系统集成者带来可扩展、可联网、可移植等诸多好 处；另一因素则是当前计算机、网络以及控制技术研 究和商品化水平的不断提高，提供了增强控恻系统 开放程度的可行性． 开放式控饲系统是目前国际上控制系统发展的 趋势．国际上发达国家已在该领域展开了激烈的竞 争．美国继NGC研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (TheNextGeneration Work——station／MachinecontrolArchitecturePro． gram)之后，又由OMAC(OpenModularArchitec— tureControlsusersGroup)组织安排了开发计划，其 目的是开发开放式体系结构的模块化控制系统，以 提升美国自动化装备的水平． 欧共体也在积极推行OSACA(OpenSystem ArchitectureForControlWithinAutonaationSys— 万方数据 第24卷第3期 王天然等：工业机器人控制系统的开放体系结构 tern)的研究开发，其目的是使控制系统具有充分的 开放性．日本同样也在积极进行这方面的工作，许多 企业在联合推行0SEC计划(0penSystemEnviron— meritforController)，以便使控制系统的结构更灵 活，更适应未来发展的需求．OSEC机构将其研究范 围遍及整个自动化领域，并且广泛地与美欧等国家 的相应机构交流，企图使其成为该领域的标准． 工业机器人应用领域非常广泛，形成完全的统 一标准是困难的．但是，针对特定的应用，建立部分 统一标准是可行而且有益的．例如半导体工业的自 动化制造设备事实上已经有了与上层监控系统的标 准化交互界面．欧洲的焊接机器人生产者、用户、集 成商开展了将机器人控制器与上层仿真软件商品的 交互界面标准化的工作． 目前，商品化的工业机器人控制系统的开放水 平，事实上已经成为影响其市场竞争力的重要因索． 2开放式控制系统(Opencontrolsystem) 2．1机器人控制系统结构类型 从严格的定义出发，依据控制系统的开放程度， 机器人控制器被分为三类：封闭型、开放型和混合 型．封闭型的控制系统是不能或者很难与其他硬件 和软件系统结合的独立系统．而全开放的控翩系统 具有模块化的结构和标准的接口协议，其硬件和软 件的各个部件，都可以很方便地被用户和生产厂家 变更，它的硬件和软件结构能方便地集成外部传感、 控制算法、用户界面等等．第三种，混合型控制系统 结构是部分封闭、部分开放的．现在应用中的工业机 器人的控制系统，基本上都是封闭型系统或混合型 系统． 在机器人开放式体系结构的研究中，出现了各 种结构．一类结构是严格分层递阶的．代表性的例子 是NASREM．他是一种TOP—DOWN控制结构．他 将整个控制系统按功能划分为若干层次(基本6层， 进一步与外界联系，层次还可以更多)，每个层次都 包括任务分解、模型和传感器信息处理3部分，形成 了纵向三列，横向若干层递阶结构．不仅每个模块定 义与功能明确，同时每个模块与上下、左右的通讯内 容及方式都有明确定义．这类结构虽然具有很多优 点，然而共同的阔题是反应比较慢．另一类是以美国 麻省理工学院的研究为代表的基于行为的控制系统 结构，与上一种相反，他是一个BOTTOM—UP结构． 它应用一组代表各种行为反应的软件，这些软件同 时运行，井通过相互通讯和依据环境的变化．相互激 励．但是如何根据一个给定任务，进行高层次控制的 设计比较困难．第三种结构，也是人们在追求的结构 ——混合结构，它既具有灵活高效的底层控制，同时 又具有高层次的推理机构．难点就是这两个部分如 何有效结合． 事实上现在提出的开放式机器人体系结构，大 多数是部分(或者称大部分)开放的、递阶或部分递 阶结构的体系结构． 2．2开放式控制系统结构的内涵 现在，机器人控制器的开放性还没有一个明确 的定义，也是希望与可能之间存在较大差距的结果． 使用者、生产者及系统集成者都希望从控制系统的 开放中获得实际效益．从这个角度总结分析，可用下 列几个性能的优劣和完善程度来 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 工业机器人控 制器的开放性． 可扩展性(Extensibility)：除去生产者和使用者 之外，第三方(如系统集成者．第三家自动化设备生 产者)都可以在控制器上增加硬、软件设备，扩充功 能． 互操作性(Interoperability)：控制器的核心部分 对外界应该表现成为一个符合一定标准的计算机， 它能与外界的一个或多个计算机交换信息． 可移植性(Portability)：机器人的应用软件可以 在不同环境下互相移植． 可增减性(Scalability)：机器人系统的性能和功 能可以根据实用需求很方便地增减． 就计算机控制系统的体系结构而言，要达到上 述特性要求，无疑地应该是一个标准化的硬件和一 个具有开放界面的操作系统的体系结构． 为了满足系统可以被用户修改或更换，修改或 增加机器人的应用功能，机器人的控制系统应该尽 可能地应用标准的、开放的、通用豹软、硬件平台，而 不是专用的，定制的系统．这样的通用开放式控制器 能够降低培训的要求，减少系统支持需求和用户维 护成本．现在的控制系统开发大多使用诸如c语言 这样舳标准语言{软件平台方面，试图使用Windows 等标准操作系统．基于PC的Windows操作系统，因 其友好的人机界面和广泛的用户基础，丽成为基于 PC控制器的首选．采用PC作为机器人控制器的主 机系统的优点是：(1)成本低；(2)具有开放性；(3)完 备的软件开发环境和丰富的软件资源；(4)良好的通 讯功能．PC很容易与其它设备实现通讯．其缺点是 Windows是一个非严格的实时系统，不具备严格的 实时处理能力，另外其可靠性和安全性亦有很大问 万方数据 258 机器人 2002年5月 题．即使如此，基于PC系统仍是工业机器人开放式 控制系统开发的方向．目前已有安川公司、RWT公 司等把基于PC的机器人开放式控制系统作为其发 展方向，并已开发出了产品． 为了能方便地增加传感器和其他外部设备，方 便地与周边设备连接，控制系统应该采用标准的总 线结构．一类硬件平台是基于VME总线的系统；另 一类则是基于PC总线的系统．前者主要用于早期的 机器人控制系统或军事及航天机器人，而后者主要 是近期内刚刚发展起来的，它主要用于工业机器人 或服务机器人等． 为了使机器人成为工业生产系统中的一个“友 好”部件，使一个以机器人为核心的工作站能与其他 设备共享数据，实现生产线或整个工厂的综台控制， 甚至机器人可以被远程操作，机器人的控制系统应 该具有进入工业网或者工业总线(如CAN总线等) 的能力． 2．3开放式机器人控制系统的研究 早期的开放式控制系统结构研究主要集中在控 制系统的硬件结构方面，如Albus提出的NASRAM 模型，Saridis提出的分层递阶结构的智能机器结构， 美国能源部提出的智能系统控制器(GISC)，Nilson 利用分层结构，提出了开放式控制结构．随着开放式 控制器的硬件系统的建立和机器人控制器的发展， 陆续出现了一些具有典型代表性的机器人控制器软 件体系结构，如NGC、LAAS、NEXUS、ORC等．现 在机器人控制器开放式体系结构的研究已发展为整 体、系统的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，软、硬件体系兼顾． 由于对开放式控制系统的需求，不仅学者在积 极的研究新的开放式机器人控制系统，机器人的制 造厂家也在积极地开发机器人控制系统．由于工业 机器人的控制系统要考虑它的技术经济性，闪时．如 前所述，既要满足底层的效率，具有高速响应的能 力i又要兼顾高层推理的能力，是开放体系结构的一 个难题，工业机器人的控制系统在满足其开放性的 基本要求时，淡化或者简单处理高层的推理结构．如 FANUC公司的R一“I机器人控制器，采用了64位 的RIsC通用处理器，可以利用以太网集中瞥理，可 以通过上位机管理多个机器人；可以通过电话线传 进机器人程度I／o状态和报警记录，从而可进行远 程诊断． OTC公司的EX—C机器人控制系统，可以对多 台机器人和变位机进行独立的运动控制，可以层加 现场总线的接口． 躅1 R．J3I机器人控制器 Fig．1R．J3lrobotcontrollor 3 SIASUN一06B机器人控制系统(sIASUN一 06Brobotcontrolsystem) 3．1 SIASUN一0611的体系结构 面向机器人技术的发展和工业的应用需求，沈 阳自动化所提出了基于PC总线和CAN总线的工 业机器控制系统体系结构，并开发出了SIASUN一 06B工业机器人控制器． 为了使工业机器人的控制系统具有开放性，解 决底层的效率和上层可以与整个生产线协调控制之 间的矛盾，SIAsuN一06B控制系统分为三个层次．伺 万方数据 第24卷第3期 王夭然等t 工业机器人控制系统的开放体系结构 259 服与数据采集层与被控对象(电机)和传感器相连． 运动层负责运动规划以及插补计算等控制算法的运 算．系统层负责离线编程和生产线的管理与监控．伺 服与数据采集层通过PC总线与运动层连接，充分利 用PC机的开放性资源．运动控制层可以通过CAN 总线与系统层相连，同时也使一个机器人的控制系 统通过CAN总线与其他设备组成为一个控制与管 理系统．利用标准化现场总线，增强控制系统的开放 性． 主cptl卜．卜_——叫叫●器示t盍 6轴伺量 控■簟 jL 空童伺 最毫机 葺羹詹 c^N且■ 运动拄■晨 PC营擅 伺■与■ 舞来● 膏麓丑僖 拄■曩 内量 PLC 捍接 接口扳 翻陛到嵫 ■ 变囊柙l 最电机I 图2 EX—C机器人控制系坑 Fig．2EX—Crobotcontroisystem t讯 基口 工 上也 计算机 机●人生产囊 生产酋苴控 ‘单元)上位机 t曩机 f 心蠢嚣-J 南南 l I I I J j J I J j 图3开放式工业机器人控制系统 Fig．3Opencontrolsystemfori,1dustda[robot 3．2机器人的硬件结构 在硬件系统上，采用开放式的结构和模块化的 设计方法．基本系统采用I／O总线进行功能的增碱， 非常方便．扩展系统采用现场总线方式进行功能的 扩充．系统组成如下： 该开放式机器人控制系统采用多CPU计算机 结构，分为主计算机、编程示教盒(手控盒)和上位 机+主计算机和编程示教盒通过串口进行异步通讯． 上位机和主计算机通过串口、CAN等进行通讯．主 计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以 及主控逻辑、数字I／o等功能．而编程示教盘完成在 线的示教、编程及信息的显示和按键的输入．上位机 完成离线编程、机器人生产线的管理和监控等功能． 系统采用模块化结构，根据需要可以配置成不 同轴数机器人系统．主计算机采用486DX4一100嵌入 式微型计算机．由于采用了嵌入式机构，保证了系统 的可靠性，缩小了控制系统的体积．嵌人式结构是机 器人控制系统和其它智能机器控制系统来来发展的 方向． 通过嵌入式芯片控制具有标准脉冲接口的交流 位置伺服单元，完成交流电机的控制．也可以通过 D／A输出控制交流伺服电机．该模块可同时控制6 路交流伺服电机，其控制参数可优化调整．通过增减 数字位置伺服模块的数量，即可控制不同的机器^ 运动轴数． 3．3软件系统的结构及功能 控铷软件建立在VRTX实时多任务操作系统 上，系统采用分层和模块化结构，以实现软件系统的 万方数据 机器人 2002年5月 开放性 圉4扩展系统框图 Fig．4Extendedsystemcomposition 机器人操作系统由机器人基本系统和机器人 应用系统组成．基本系统完成机器人示教、执行、系 统检查等功能．在此基础上进行了功能扩充，增加了 内嵌PLC功能和机器人的协调运动算法，使机器人 控制器的控制轴数增加到12个轴，即机器人可对多 个弧焊工作站进行协调运动，同时完善了机器^控 制系统的诊断功能，提供了系统的在线帮助功能，便 于对用户进行操作指导和系统维护． 图5软件系统模块结构围 Fig．5Modulararchitectureforso[twaresystem 整个软件采用VRTX实时多任务操作系统实 现．VRTX是确定性、抢占式和基于优先级的实时多 任务操作系统．VRTX实时多任务操作系统根据功 能来分层，每一层都使用下一层提供的功能．系统硬 件构成了系统的最底层．紧接着一层包括了最简单 的，大多是硬件相关的操作系统功能，最上层是应用 程序．从技术的角度来看，每一层都为其上一层定 义了一个虚拟机．在更高的层上，是不能分辨出由软 件提供的功能与由硬件提供的功能，每一层都增加 了一些功能．控制软件系统按层次划分为模块，图5 是软件系统结构图． 4结论(Conclusion) 无论从机器人技术的发展方面看，还是从它应 用的工业领域的自动化发展要求的角度看，机器人 控制系统的开放性是必须的．而严格意义上的开放 的体系结构是有意义的发展方向，然而无论从技术 实现的现实可能和从技术成本上考虑，现在追求这 样的一个目标，是困难重重和不必要的．由于已有大 量的机器人系统存在，而且技术进步是如此之令人 眼花缭乱，制定一个一定程度开放的标准，也是很困 难的．目前的研究重点就是探讨可行的控制系统开 放式结构，利用计算机技术和新信息技术的最新发 展成果，努力提高控制系统的开放程度，逐步向全开 放系统发展．S1ASUN一06B机器人控制系统就是我 们努力实现这一目标的一个实例，该系统已在实际 生产中成功应用． f 1⋯一—弱匠墨曩———一⋯一一 万方数据 第24卷第3期 王天然等， 工业机器人控制系统的开放体系结构 261 参考文献(References) l王天然．一个开放式移动机器^体系结构．机器^．1995，17(4)· 193199 2 BarbaraHayer—Roth．AnArchitectureforAdaptiweIntelligent SystemsArtificialIntelligeoee，1999，(4)-329—365 3 EveCaste—Maniere，ReidSimmons．Archit舵ture．theBackbone ofRobotieSystems．2000IEEEonICRA．67—72 4 GaryJ．Ruteledge．‘ThePCanditsInfluence呻RobotCon- tn0Llers．2000IEEEOnICRA．717—72l 5 FMProctorr jSAIbua．Open-areblteeture(：ontrolIets，IEEK SpeetrutmJune，1997，60—64 6 GengeTurnbull．TheOpenController，IEEEManufacturingEn- gineertJuae1998t144146 7 JuanAF．JavierGNexus．AFiexlhle，Eff；cientandRobust FrameworkforIntegratingSoftwareComponentofaRoboticSy扣 tam．Proceedingsofthe1992IEEEonICRA一1998 8 JuanAFergandz，JavierGen瓤lez．TheNEXL『SOpenSystemfor 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