CN103389666A - 机器人的软件架构 - Google Patents

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吴宏
刘越
郑春霞
张合明
赖长川
王政
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Abstract

一种机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括：人机界面层，用于接收输入的指令信息；任务管理层，用于将所述输入的指令信息解析为运动控制指令，并将所述运动控制指令发送给运动层；所述运动层用于根据所述运动控制指令执行相应的动作；其中，所述人机界面层和任务管理层之间通过接口相连，所述任务管理层与所述运动层之间通过接口相连，且所述任务管理层还提供应用接口。上述机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层及运动层，且任务管理层提供了应用接口，方便外部应用通过应用接口添加到机器人的软件架构中，实现软件架构的升级，且分成三层，方便维护。

Description

机器人的软件架构
技术领域
本发明涉及工控领域，特别是涉及一种机器人的软件架构。
背景技术
机器人是泛指在工业现场应用的驱动电机个数大于2的多轴操作结构。随着科技的发展，越来越多的机器人将投入到工业生产中，以节省人力成本，提高生产效率。
机器人需要安装相应的控制系统实现控制，即控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等等。传统的机器人的控制系统采用的是封闭式的结构，使用专用的上位机、机器人语言和微处理器等，控制算法固化在控制器内。故控制系统缺乏开放性，不利控制系统的维护和升级，不能扩展功能，且系统的开发时间很长，开发成本很高，使得传统的控制系统在工业应用中受到很大的限制。
发明内容
基于此，有必要针对现有的控制系统的封闭式结构不利于维护和升级的问题，提供一种能方便维护和升级的机器人的软件架构。
一种机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括：
人机界面层，用于接收输入的指令信息；
任务管理层，用于将所述输入的指令信息解析为运动控制指令，并将所述运动控制指令发送给运动层；
所述运动层用于根据所述运动控制指令执行相应的动作；
其中，所述人机界面层和任务管理层之间通过接口相连，所述任务管理层与所述运动层之间通过接口相连，且所述任务管理层还提供应用接口。
在其中一个实施例中，所述运动层包括：
运动学解析模块，用于调用各种数学函数；
坐标系转换模块，用于处理各种坐标系坐标之间的关系；
运动规划模块，用于获取机器人的轨迹规划和速度规划。
在其中一个实施例中，所述运动规划模块采用小线段自适应预处理插补算法得到机器人的轨迹路径。
在其中一个实施例中，所述人机界面层还用于接收编写的示教文件；所述任务管理层还用于将所述示教文件解析为一连串的运动控制指令；所述运动层用于根据所述一连串的运动控制指令完成机器人的自动运行功能。
在其中一个实施例中，所述运动层的循环周期为2毫秒。
在其中一个实施例中，所述运动层、任务管理层和人机界面层的优先级逐渐降低。
在其中一个实施例中，所述人机界面层还用于显示报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息。
在其中一个实施例中，所述任务管理层还用于接收所述运动层根据运动控制指令得到的反馈信号，根据所述反馈信号生成相应的运动控制指令，且将所述反馈信号发送给所述人机界面层。
在其中一个实施例中，所述人机界面层还提供了参数配置接口、编写示教接口、参数类型设置接口、状态查询接口和历史查询接口中至少一种；所述参数配置接口用于设置机器人的运动学、速度和加速度；所述编写示教接口用于编辑制作机器人的示教文件，回放运行已做好的示教文件；所述参数类型设置接口用于创建机器人数值型和位置型变量，以供在示教文件中使用；所述状态查询接口用于查看机器人轴状态和运行状态；所述历史查询接口用于查看历史报警信息。
上述机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层及运动层，且任务管理层提供了应用接口，方便外部应用通过应用接口添加到机器人的软件架构中，实现软件架构的升级，且分成三层，方便维护。
附图说明
图1为一个实施例中机器人的软件架构的结构示意图；
图2为运动层的结构示意图；
图3为机器人的软件架构通过硬件设备及中断模块控制电机的示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例及附图对机器人的软件架构的技术方案进行详细的描述，以使其更加清楚。
如图1所示，为一个实施例中机器人的软件架构的结构示意图。该机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括：人机界面层120、任务管理层140和运动层160。
其中，人机界面层120用于接收输入的指令信息。
具体的，人机界面层120是机器人的软件架构与用户的直接接口，可接收用户的所有指令。指令信息是由用户通过键盘、触摸屏等输入设备输入的。在人机界面层120上，用户可根据需要进行二次开发，设计不同风格的人机界面。人机界面层120还用于显示报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息等。
在一个实施例中，在人机界面层120提供的接口包括以下至少一种：参数配置接口，用于设置机器人的运动学、速度和加速度等参数；编写示教接口，用于编辑制作机器人的示教文件，回放运行已做好的示教文件；参数类型设置接口，用于创建机器人数值型和位置型变量，可供在示教文件中使用；历史查询接口，用于查看历史报警信息；状态查询接口，用于查看机器人轴状态和运行状态。
任务管理层140用于将该输入的指令信息解析为运动控制指令，并将该运动控制指令发送给运动层160。
运动层160用于根据该运动控制指令执行相应的动作。
其中，人机界面层120和任务管理层140之间通过接口相连，任务管理层140与运动层160之间通过接口相连，且任务管理层140还提供应用接口。
任务管理层140还用于接收运动层160根据运动控制指令得到的反馈信号，并根据该反馈信号生成相应的运动控制指令，且将该反馈信号发送给人机界面层120。
上述机器人的软件架构，从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层及运动层，且任务管理层提供了应用接口，方便外部应用通过应用接口添加到机器人的软件架构中，实现软件架构的升级，且分成三层，方便维护。
在一个实施例中，如图2所示，运动层160包括运动学解析模块162、坐标系转换模块164和运动规划模块166。
其中，运动学解析模块162用于调用各种数学函数。各种数学函数包括矩阵和向量函数、正向和逆向运动函数等。
坐标系转换模块164用于处理各种坐标系坐标之间的关系。坐标系包括机器人关节坐标系、机器人坐标系、工具坐标系、世界坐标系、工件坐标系等。
运动规划模块166用于获取机器人的轨迹规划和速度规划。轨迹规划分为关节空间的轨迹规划和笛卡尔空间的轨迹规划。笛卡尔空间的轨迹规划可分为位置规划和姿态规划。
运动规划模块166可采用小线段自适应预处理插补算法得到机器人的轨迹路径。在采用小线段自适应预处理插补算法计算机器人的轨迹路径过程中，保持位置连续、速度连续以及加速度连续。
本实施例中，运动层160的循环周期为2毫秒。运动层160的循环周期是将机器人的空间轨迹细分后的最小时间单位。
在一个实施例中，人机界面层120还用于接收编写的示教文件；任务管理层140还用于将该示教文件解析为一连串的运动控制指令；运动层160用于根据该一连串的运动控制指令完成机器人的自动运行功能。
运动层160、任务管理层140和人机界面层120的优先级逐渐降低。运动层160必须保证严格准确的精确定时循环周期；任务管理层140保证为运动层120实时循环周期的10倍；人机界面层120采用自由循环，即在中央控制器（CPU）不用完全参与轨迹规划运算和任务解析的其他时间内自由调度，只需在有空闲资源时刷新界面。
此外，人机界面层120和任务管理层140为非实时WinCE进程，运动层160为实时WinCE进程。运动层160可进行机器人关节初始化、运动学模型计算、直线轨迹插补、圆弧轨迹插补、关节运动插补、出错报警/急停等。
再者，上述机器人的软件架构可通过CPAC（Computerized ProgrammableAutomation Controller，计算机可编程自动化控制器）接口连接硬件设备及中断模块，如图3所示，任务管理层140通过CPAC接口180及常规WinCE内核182连接到硬件设备及中断模块190，运动层160通过CPAC接口180及实时WinCE内核184连接到硬件设备及中断模块190。硬件设备及中断模块负责根据运动层160得到的轨迹规划控制电机伺服驱动器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种机器人的软件架构，其特征在于，从顶层到底层依次包括：
人机界面层，用于接收输入的指令信息；
任务管理层，用于将所述输入的指令信息解析为运动控制指令，并将所述运动控制指令发送给运动层；
所述运动层用于根据所述运动控制指令执行相应的动作；
其中，所述人机界面层和任务管理层之间通过接口相连，所述任务管理层与所述运动层之间通过接口相连，且所述任务管理层还提供应用接口。
2.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述运动层包括：
运动学解析模块，用于调用各种数学函数；
坐标系转换模块，用于处理各种坐标系坐标之间的关系；
运动规划模块，用于获取机器人的轨迹规划和速度规划。
3.根据权利要求2所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述运动规划模块采用小线段自适应预处理插补算法得到机器人的轨迹路径。
4.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述人机界面层还用于接收编写的示教文件；所述任务管理层还用于将所述示教文件解析为一连串的运动控制指令；所述运动层用于根据所述一连串的运动控制指令完成机器人的自动运行功能。
5.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述运动层的循环周期为2毫秒。
6.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述运动层、任务管理层和人机界面层的优先级逐渐降低。
7.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述人机界面层还用于显示报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息。
8.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述任务管理层还用于接收所述运动层根据运动控制指令得到的反馈信号，根据所述反馈信号生成相应的运动控制指令，且将所述反馈信号发送给所述人机界面层。
9.根据权利要求1所述的机器人的软件架构，其特征在于，所述人机界面层还提供了参数配置接口、编写示教接口、参数类型设置接口、状态查询接口和历史查询接口中至少一种；所述参数配置接口用于设置机器人的运动学、速度和加速度；所述编写示教接口用于编辑制作机器人的示教文件，回放运行已做好的示教文件；所述参数类型设置接口用于创建机器人数值型和位置型变量，以供在示教文件中使用；所述状态查询接口用于查看机器人轴状态和运行状态；所述历史查询接口用于查看历史报警信息。
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