CN104699122B - 一种机器人运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种机器人运动控制系统，涉及机器人运动控制技术领域。为了解决现有的机器人运动控制系统存在通用性差、可扩展性差、系统的开放性差的问题。控制终端子系统包括人机交互界面和工作线程模块，服务器端子系统包括指令解释器、服务器和交互模块，用户通过人机交互界面发出操作指令，利用工作线程模块将所述操作指令转化为指令解释器可识别的指令并通过网络传递给指令解释器，指令解释器通过调用MoveIt！数据库将其接收的指令转化为关节路径命令并发布在ROS服务器的节点上，PMAC交互模块接收ROS服务器传来的关节路径命令，通过PMAC通信协议转化为运动控制指令并通过网络传递给PMAC。具有较高的模块化程度和很强的通用性，可兼容多种多自由度串联机器人。

Description

一种机器人运动控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人运动控制交互软件，涉及机器人运动控制技术领域。

背景技术

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。机器人控制系统及其控制终端是机器人的重要组成部分，多年来，通用的机器人控制系统一直是学者和各厂商的研究课题，主要是由于缺少一种通用的运动学解算器和轨迹规划器，所以机器人运动控制系统的发展一直受到限制；对于机器人控制系统，国外一直处于垄断地位，国外厂商的控制系统及其控制终端一般只对自由品牌的机器人有一定的兼容性，而对于其他机器人不具有通用性，其独有的设备配件和高昂的维修费用让国内相关产业耗费了大量的人力与财力。而近年来，PMAC、MoveIt！、ROS等多项研究成果使得通用机器人控制系统的实现成为可能。现有技术没有给出利用PMAC、MoveIt！、ROS这些多项研究成果的结合的机器人运动控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人运动控制系统，以解决现有的机器人运动控制系统存在通用性差、可扩展性差、系统的开放性差的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种机器人运动控制系统，所述系统包括控制终端子系统和服务器端子系统，

控制终端子系统包括人机交互界面和工作线程模块，

服务器端子系统包括指令解释器、ROS服务器和PMAC交互模块，

用户通过人机交互界面发出操作指令，利用工作线程模块将所述操作指令转化为指令解释器可识别的指令并通过网络传递给指令解释器，

指令解释器通过调用MoveIt！数据库将其接收的指令转化为关节路径命令并发布在ROS服务器的节点上，PMAC交互模块接收ROS服务器传来的关节路径命令，通过PMAC通信协议转化为PMAC可识别的运动控制指令并通过网络传递给PMAC，从而实现对机器人的运动控制；PMAC交互模块读取PMAC上的机器人关节状态信息，并反馈给ROS服务器，并在人机交互界面中显示。

所述人机交互界面为控制终端子系统和用户直接交互的界面，用于接收用户的操作指令并传递给工作线程模块，其内容包括校准、手动操作、示教、再现、程序编辑、机器人状态显示、PLC输入/输出控制、用户坐标系建立、文件浏览及系统维护功能。

定义工作线程模块的工作方式为有限状态机，工作线程模块描述的用户操作模式状态如下：

a)待机状态：在没有接受任何用户操作指令时，控制终端子系统为待机状态，不发布任何指令；

b)手动操作模式：用户通过交互界面操作进入手动操作模式，并通过三维摇杆向控制终端子系统输入操作指令，控制终端子系统通过解释三维摇杆的操作指令向ROS服务器节点发布手动操作运动指令；该模式包含关节坐标系和笛卡尔坐标系；

c)再现模式：控制终端子系统在再现模式下将所存储的机器人程序(一系列指令)按顺序逐条发布在ROS服务器节点上，使机器人可以按指令顺序自动运行，该模式可实现对程序的一次再现、多次循环再现以及逐条再现；

d)校准模式：在该模式下，机器人各关节零位可被重置，用于机器人的标定工作；

e)控制指令模式：该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布除运动指令以外的指令：控制指令、PLC操作指令；

f)用户坐标系发布模式：在该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布用户自定义的坐标系信息；

g)三维摇杆调试模式：该模式下控制终端子系统可以重置三维摇杆的零位，从而初始化三维摇杆；

所述工作线程模块作为所述控制终端子系统的后台模块，按以下顺序循环运行：

1)检测通信网络是否联通；

2)订阅ROS服务器节点消息，其中包括PMAC交互模块状态、机器人关节状态、机器人坐标系信息、三维摇杆操作信息、薄膜按键操作信息；

3)解释所订阅的消息，其中PMAC交互模块状态被用于判断机器人运行状态、机器人关节状态以角度形式向用户反馈、机器人坐标系信息以笛卡尔坐标系和欧拉角的形式向用户反馈、将三维摇杆操作信息解释为用户对所操作的三个坐标轴或三个关节的运动速度大小、将薄膜按键操作信息解释为执行相应控制功能；

4)更新机器人信息，包括机器人坐标系信息、机器人关节状态信息、机器人运行状态；

5)利用工作线程模块检测用户操作模式状态，根据相应的用户操作模式状态向ROS服务器发布节点消息，所述节点消息是指令解释器可识别的指令，包括运动指令、控制指令、PLC操作指令；

6)警告：控制终端子系统在该步骤下检测机器人关节位置信息，并限制机器人工作空间，提醒用户在手动模式下不可操作机器人超出机器人工作空间。

所述PMAC交互模块是一种有限状态机，包括初始化状态、运动状态和停止状态；

1)当所述PMAC交互模块运行在初始化状态时，将进入循环，不断更新机器人状态，不会有任何操作，一旦接收到进入运动状态的指令时，PMAC交互模块会清除缓存、电机使能，并使PMAC进入P-T模式，然后进入运动状态；

2)当所述PMAC交互模块进入运动状态时，如果没有检测到停止指令，将进入循环，会接收由指令解释器计算出的关节路径命令，并通过插补运算计算出PMAC运动轨迹，发送给PMAC，如果收到停止指令，则PMAC交互模块会进入停止指令；

3)当PMAC交互模块进入停止状态，等待3秒后重新进入初始化状态。

本发明的有益效果是：

本发明的控制终端子系统和服务器端子系统各自为独立计算机系统，通过以太网建立局域网，其软件可基于ROS实现，具有较高的模块化程度和很强的通用性，可兼容多种多自由度串联机器人。

本发明中的PMAC运动控制卡能提供较为便利的机器人应用接口：可以直接读取机器人各关节轴的电机参数，同时通过以太网与上位机通信；可以对耦合的运动建立坐标系，便于描述机械耦合、并联运动等机械耦合设计；可以进行样条插补运算，便于减小通信带宽，避免引入不可预知错误。

本发明中的MoveIt！是一种先进的软件包，集成了最新的运动规划、三维捕捉、运动学控制以及导航算法，它为前沿机器人应用提供了便利的开发平台。通过建立一种“通用机器人描述文件”(URDF)，可以方便的描述机器人的运动学模型，并结合MoveIt！的运动学相关算法实现机器人的运动轨迹规划。

本发明中的ROS(Robot Operating System)又称机器人操作系统，是基于BSD开源协议的操作系统级的软件，主要目标是满足代码复用的需求，致力于建立机器人行业标准，有强制的模块化要求和明确的软件接口。通过机器人操作系统搭建的系统具有较强的通用性，利用其良好的C/S(服务器/客户端)通信架构，不仅可以通过服务器向其他客户及发送多种数据类型的消息，还可为客户机提供服务，满足多种通信需求。

本发明所述的机器人控制系统基于可编程多轴运动控制器(PMAC)和MoveIt！实现对串联多自由度机器人的通用性。由于PMAC可对机器人各关节进行运动控制，MoveIt！(BSD协议)可以对机器人进行路径规划，该控制系统将二者结合，从而实现对大多数串联机器人的控制。

所述控制系统硬件包括一台工控机和一台控制终端，二者均为独立运行的计算机系统，通过以太网组建成局域网进行通信。该系统采用服务器/客户端结构，控制系统主程序运行于工控机，作为控制系统服务器，控制终端则作为客户端，运行用户界面交互软件，并通过机器人操作系统(ROS)与控制系统服务器进行实时通信。

本发明所述的机器人控制系统分别应用于六自由度磨抛机器人本体和生物采样履带机器人的六自由度机械臂本体，同时也在虚拟环境中对ABBIRB244机器人和FANUCM430机器人成功进行了仿真，均可以实现对机器人的手动控制、示教、再现、插补等功能。

附图说明

图1是本发明的流程框图，图2是机器人控制终端的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式所述的机器人运动控制系统，包括控制终端子系统和服务器端子系统，

控制终端子系统包括人机交互界面和工作线程模块，

服务器端子系统包括指令解释器、ROS服务器和PMAC交互模块，

用户通过人机交互界面发出操作指令，利用工作线程模块将所述操作指令转化为指令解释器可识别的指令并通过网络传递给指令解释器，

指令解释器通过调用MoveIt！数据库将其接收的指令转化为关节路径命令并发布在ROS服务器的节点上，PMAC交互模块接收ROS服务器传来的关节路径命令，通过PMAC通信协议转化为PMAC可识别的运动控制指令并通过网络传递给PMAC，从而实现对机器人的运动控制；PMAC交互模块读取PMAC上的机器人关节状态信息，并反馈给ROS服务器，并在人机交互界面中显示。

所述人机交互界面为控制终端子系统和用户直接交互的界面，用于接收用户的操作指令并传递给工作线程模块，其内容包括校准、手动操作、示教、再现、程序编辑、机器人状态显示、PLC输入/输出控制、用户坐标系建立、文件浏览及系统维护功能。

定义工作线程模块的工作方式为有限状态机，工作线程模块描述的用户操作模式状态如下：

a)待机状态：在没有接受任何用户操作指令时，控制终端子系统为待机状态，不发布任何指令；

b)手动操作模式：用户通过交互界面操作进入手动操作模式，并通过三维摇杆向控制终端子系统输入操作指令，控制终端子系统通过解释三维摇杆的操作指令向ROS服务器节点发布手动操作运动指令；该模式包含关节坐标系和笛卡尔坐标系；

c)再现模式：控制终端子系统在再现模式下将所存储的机器人程序(一系列指令)按顺序逐条发布在ROS服务器节点上，使机器人可以按指令顺序自动运行，该模式可实现对程序的一次再现、多次循环再现以及逐条再现；

d)校准模式：在该模式下，机器人各关节零位可被重置，用于机器人的标定工作；

e)控制指令模式：该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布除运动指令以外的指令：控制指令、PLC操作指令；

f)用户坐标系发布模式：在该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布用户自定义的坐标系信息；

g)三维摇杆调试模式：该模式下控制终端子系统可以重置三维摇杆的零位，从而初始化三维摇杆；

所述工作线程模块作为所述控制终端子系统的后台模块，按以下顺序循环运行：

1)检测通信网络是否联通；

2)订阅ROS服务器节点消息，其中包括PMAC交互模块状态、机器人关节状态、机器人坐标系信息、三维摇杆操作信息、薄膜按键操作信息；

3)解释所订阅的消息，其中PMAC交互模块状态被用于判断机器人运行状态、机器人关节状态以角度形式向用户反馈、机器人坐标系信息以笛卡尔坐标系和欧拉角的形式向用户反馈、将三维摇杆操作信息解释为用户对所操作的三个坐标轴或三个关节的运动速度大小、将薄膜按键操作信息解释为执行相应控制功能；

4)更新机器人信息，包括机器人坐标系信息、机器人关节状态信息、机器人运行状态；

5)利用工作线程模块检测用户操作模式状态，根据相应的用户操作模式状态向ROS服务器发布节点消息，所述节点消息是指令解释器可识别的指令，包括运动指令、控制指令、PLC操作指令；

6)警告：控制终端子系统在该步骤下检测机器人关节位置信息，并限制机器人工作空间，提醒用户在手动模式下不可操作机器人超出机器人工作空间。

所述PMAC交互模块是一种有限状态机，包括初始化状态、运动状态和停止状态；

1)当所述PMAC交互模块运行在初始化状态时，将进入循环，不断更新机器人状态，不会有任何操作，一旦接收到进入运动状态的指令时，PMAC交互模块会清除缓存、电机使能，并使PMAC进入P-T模式，然后进入运动状态；

2)当所述PMAC交互模块进入运动状态时，如果没有检测到停止指令，将进入循环，会接收由指令解释器计算出的关节路径命令，并通过插补运算计算出PMAC运动轨迹，发送给PMAC，如果收到停止指令，则PMAC交互模块会进入停止指令；

3)当PMAC交互模块进入停止状态，会等待3秒后重新进入初始化状态。

本发明中的PMAC运动控制卡是美国Delta Tau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器。

实施例：

基于本发明所述的机器人控制系统开发的软件包含控制系统服务器端主程序软件。其具有与控制终端通信的接口、处理终端命令的机制和与底层硬件通信的接口。即所述机器人控制器软件包括与上层控制终端的通信接口，对上层控制终端命令的解析与执行方法，和部署底层硬件的通信接口；

服务器主程序结构如图1所示，子程序指令解释器用于处理用户终端发送至服务器的命令，并通过MoveIt！规划机器人各关节运动，传递给子程序PMAC交互模块；PMAC交互模块将轨迹规划结果通过PMAC协议转换成PMAC卡可以识别的命令，并发送至PMAC卡，从而通过PMAC卡实现对机器人的控制。

PMAC交互模块通过有限状态机实现，三个状态分别为初始化状态、运动状态、停止状态。程序从停止状态启动，三秒后自动转为初始化状态，用于在接收新的规划命令前清除PMAC命令缓存；在运动状态，当PMAC命令缓存为空时，程序会接收、检查、做插值运算，并将结果发送给PMAC命令缓存。

与运动控制管道通信：MoveIt！与PMAC通信接口是通过”FollowJointTrajectory”的动作来实现的，为了让其有一定兼容性，利用了ROS提供的名为“industrial_robot_client”工具包，并将反馈信息发布到”feedback_states”话题中；

与PMAC通信：程序通过基于TCP/IP协议的以太网，利用PMAC的坐标系的C++接口来实现；

生成轨迹的PMAC指令：利用PMAC提供的统一的三次样条曲线运动模式，每次运动都以一个三次样条轨迹来计算，以避免速度和加速度的不连续；

初始化PMAC：初始化PMAC卡分为以下几个步骤，1)清除定义缓存，2)电机使能，3)创建转换缓存，4)初始化三次样条曲线运动模式；

向PMAC旋转缓存发送命令：1)检查缓存空间，2)开启缓存，3)发送不超过剩余缓存空间的轨迹的剩余命令，4)关闭缓存。

子程序指令解释器是一个简单的解释程序，接收、检查由机器人控制终端发来的指令，并用相关的运动学算法生成运动轨迹。

本发明中，机器人命令遵循所述机器人控制系统通讯协议，协议内容如下：

(1)指令集

表1 CMD指令集

(2)运动指令

<ID>CMD{TARGET}value value value value value value[TIME](UNITS){FRAME}

“ID”是该指令的编号，便于指令发出后，工控机反馈该条指令的运行情况；“CMD”是指令名称；“TARGET”指目标点，一般为TCP，也可用户自定义；“value”是运动参数，一般为6个数，代表6个关节轴或3个位置和3个姿态角，数值精度为0.01；“TIME”是针对非手动模式的指令运行时间；“UNITS”是单位，包括长度单位、角度单位、时间单位，一般为(mm,deg,s)；“FRAME”是坐标系，B为大地坐标系，T为工具坐标系，J为关节坐标系，U为用户坐标系。

(3)功能指令

<ID>CMD parameters

“parameters”是命令参数，有些命令有，有些命令没有。

(4)关于指令运行时间的相关解释

机器人运动需要一个运动速度的概念。速度的解释可以有以下两种：机器人末端执行器前端的合成速度，或者是用当前点到目标点所花费的时间来表示，它是一个标量。如果单纯用合成速度表示，那么当末端执行器前端不动，仅让姿态运动时，这个速度变没有意义，所以本文采用后者来表达。

手动控制模式没有指令运行时间这个参数，每个手动控制指令是由某几个运动方向的微小增量表示的，由于手动控制的指令发送频率较高，调整其微小增量即可实现运动指令的速度变化；非手动模式下由工控机利用运动指令的目标点做连续轨迹插补运算，并经运动学逆运算将速度分配给各个关节轴，在插补运算的过程中，已经将速度和加速度进行规划，如梯形曲线等，所以可以通过单个指令的总体运动时间来反映这种机器人运动的速度概念。

(5)关于样条插补命令的规定

样条插补命令为MOVJ_SPLINE_LSPB，其速度曲线为梯形曲线，该命令后接若干个样条插补点(至少三个)，每个点用6个数表示，关节坐标系与关节坐标插补对应。每条命令的第一个点需为当前坐标点，所以至少需要两个新的插补点作为样条插补关键点。如

本发明所述的机器人控制系统的实现，依赖如下所述的机器人控制终端，它是机器人控制系统的人机接口，包括软件和硬件两大部分：硬件部分如图2所示。

控制终端的硬件包括核心板、电源板、三维摇杆、液晶显示屏、触摸屏、薄膜按键、使能按钮、急停按钮以及专用电缆；其交互软件包括基于ROS消息机制的通信接口，界面线程、工作线程，以及对外围设备检测的节点(NODE)程序。控制器和控制终端各自为独立计算机系统，通过以太网建立局域网，其软件基于ROS实现，具有较高的模块化程度和很强的通用性，可兼容多种多自由度串联机器人。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机器人运动控制系统，其特征在于，所述系统包括控制终端子系统和服务器端子系统，

控制终端子系统包括人机交互界面和工作线程模块，

服务器端子系统包括指令解释器、ROS服务器和PMAC交互模块，

用户通过人机交互界面发出操作指令，利用工作线程模块将所述操作指令转化为指令解释器可识别的指令并通过网络传递给指令解释器，

指令解释器通过调用MoveIt！数据库将其接收的指令转化为关节路径命令并发布在ROS服务器的节点上，PMAC交互模块接收ROS服务器传来的关节路径命令，通过PMAC通信协议转化为PMAC可识别的运动控制指令并通过网络传递给PMAC，从而实现对机器人的运动控制；PMAC交互模块读取PMAC上的机器人关节状态信息，并反馈给ROS服务器，并在人机交互界面中显示，

定义工作线程模块的工作方式为有限状态机，工作线程模块描述的用户操作模式状态如下：

a)待机状态：在没有接受任何用户操作指令时，控制终端子系统为待机状态，不发布任何指令；

b)手动操作模式：用户通过交互界面操作进入手动操作模式，并通过三维摇杆向控制终端子系统输入操作指令，控制终端子系统通过解释三维摇杆的操作指令向ROS服务器节点发布手动操作运动指令；该模式包含关节坐标系和笛卡尔坐标系；

c)再现模式：控制终端子系统在再现模式下将所存储的机器人程序按顺序逐条发布在ROS服务器节点上，使机器人可以按指令顺序自动运行，该模式可实现对程序的一次再现、多次循环再现以及逐条再现；

d)校准模式：在该模式下，机器人各关节零位可被重置，用于机器人的标定工作；

e)控制指令模式：该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布除运动指令以外的指令：控制指令、PLC操作指令；

f)用户坐标系发布模式：在该模式下控制终端子系统可以向ROS服务器节点发布用户自定义的坐标系信息；

g)三维摇杆调试模式：该模式下控制终端子系统可以重置三维摇杆的零位，从而初始化三维摇杆；

所述工作线程模块作为所述控制终端子系统的后台模块，按以下顺序循环运行：

1)检测通信网络是否联通；

2)订阅ROS服务器节点消息，其中包括PMAC交互模块状态、机器人关节状态、机器人坐标系信息、三维摇杆操作信息、薄膜按键操作信息；

3)解释所订阅的消息，其中PMAC交互模块状态被用于判断机器人运行状态、机器人关节状态以角度形式向用户反馈、机器人坐标系信息以笛卡尔坐标系和欧拉角的形式向用户反馈、将三维摇杆操作信息解释为用户对所操作的三个坐标轴或三个关节的运动速度大小、将薄膜按键操作信息解释为执行相应控制功能；

4)更新机器人信息，包括机器人坐标系信息、机器人关节状态信息、机器人运行状态；

5)利用工作线程模块检测用户操作模式状态，根据相应的用户操作模式状态向ROS服务器发布节点消息，所述节点消息是指令解释器可识别的指令，包括运动指令、控制指令、PLC操作指令；

6)警告：控制终端子系统在该步骤下检测机器人关节位置信息，并限制机器人工作空间，提醒用户在手动模式下不可操作机器人超出机器人工作空间。

2.根据权利要求1所述的一种机器人运动控制系统，其特征在于：所述人机交互界面为控制终端子系统和用户直接交互的界面，用于接收用户的操作指令并传递给工作线程模块，其内容包括校准、手动操作、示教、再现、程序编辑、机器人状态显示、PLC输入/输出控制、用户坐标系建立、文件浏览及系统维护功能。

3.根据权利要求2所述的一种机器人运动控制系统，其特征在于：

所述PMAC交互模块是一种有限状态机，包括初始化状态、运动状态和停止状态；

1)当所述PMAC交互模块运行在初始化状态时，将进入循环，不断更新机器人状态，不会有任何操作，一旦接收到进入运动状态的指令时，PMAC交互模块会清除缓存、电机使能，并使PMAC进入P-T模式，然后进入运动状态；

2)当所述PMAC交互模块进入运动状态时，如果没有检测到停止指令，将进入循环，会接收由指令解释器计算出的关节路径命令，并通过插补运算计算出PMAC运动轨迹，发送给PMAC，如果收到停止指令，则PMAC交互模块会进入停止指令；

3)当PMAC交互模块进入停止状态，等待3秒后重新进入初始化状态。