CN105259814B - 一种多机器人系统及其通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多机器人系统及其通信系统，多机器人系统包括由工作机器人构成的工作组，以及由备用机器人构成的备用工作组，工作组、备用工作组分别是一组硬件结构相同、物理位置接近的多个工作机器人或备用机器人，工作组、备用工作组内的各机器人是物理可替换的。本发明是一种显式通讯下基于“客户/服务器”与“端对端”混合的通信系统，具有较高的扩展性，易于实现不同的应用场景，同时是基于Ether CAT的，可以兼顾实时性、扩展性和网络带宽；机器人之间不进行直接通信，而是统一的与主控制器通信。主控制器综合各个机器人反馈信息以及传感器数据，然后对数据进行处理，然后通知各个机器人实现各种运行逻辑或者是故障恢复过程。

Description

一种多机器人系统及其通信系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体地，涉及一种多机器人系统及其通信系统。

背景技术

从上世纪70年代开始，工业机器人就开始成为工业领域中的一项重要技术。在世界范围内，工业机器人应用掀起了一个高潮。随着人力成本的不断提高，企业用工成本不断上涨，工业机器人就有了客观的发展需求。同时，工业机器人的应用领域也从汽车行业逐渐扩张到电子制造、食品药品和塑料行业。为了完成复杂工序，工业机器人在很多情况下都是配合工作的。因此，工业机器人常常都是以多机器人系统的形式工作的。多个机器人协同工作有着本质的困难，这种困难在于分布式系统的信息同步和行为协调等等。

多机器人协作和控制研究的基本思想就是将多机器人之间的协作看作一个群体，研究其协作机制，从而充分发挥多机器人系统各种内在的优势。为了有效地交流和协商，必须解决机器人之间信息处理与传输问题，即多机器人通信问题。

在多机器人系统中，通过通信的方式各机器人了解其它机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成任务。机器人之间的通信一般分为隐式通信和显式通信两类。隐式通信系统通过外界环境和自身传感器来获取所需的信息并实现相互之间的协作，机器人之间没有直接进行信息交换。在隐式通信中机器人在环境中留下某些特定信息，其通过传感器获取外界环境信息的同时，也可能获取到其它的机器人遗留下的信息。使用显式通信的多机器人系统利用特定的通信介质，快速有效地完成各机器人间信息的交互，实现许多在隐式通信下无法完成的高级协调协作策略。但由于多机器人系统在通信的实时性、可靠性等方面有特殊要求，所以针对适用于多机器人系统分布式控制结构的特定环境的通信机制的研究具有重要的意义。隐式通信与显式通信是多机器人系统各具特色的两种通信模式。

多机器人系统作为一个实时系统，通信系统的实时性也应该得到保证。现阶段存在的令牌总线、令牌环、分布式队列双总线等都需要维持一个物理或者逻辑环，增加的硬件设备给系统带来较大的负担。

综合来说，总线式CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)是一种应用广泛的通信技术。在CSMA/CD存取方式下，冲突各方检测到冲突后会及时停止发送，从而可使信道的有效利用率得到提高。工业以太网技术就是建立在CSMA/CD技术的基础上。然而，一般的工业以太网存在的问题是庞大的协议栈在高频率通信的应用场景下，表现出实时性不够的缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多机器人系统及其通信系统，该机器人系统能够实现高可靠性控制。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面，提供一种多机器人系统，包括由工作机器人构成的工作组，以及由备用机器人构成的备用工作组，所述工作组、备用工作组分别是一组硬件结构相同、物理位置接近的多个工作机器人或备用机器人，工作组、备用工作组内的各机器人是物理可替换的，同时备用机器人和工作机器人之间的工作位置可替换，当某工作机器人出现故障时，备用机器人能自动实现替换故障工位的工作机器人，不需要其他的干预。

优选地，所述工作机器人、备用机器人均设有自身的控制器，当正常工作时工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作，当某工位上的工作机器人出现故障时，备用机器人重载控制器替代故障机器人和主控制器通讯，完成对工件的加工任务。

根据本发明第二方面，提供一种多机器人系统的通信系统，所述系统包括：

主控制器，配备有发送器及接收器，用于控制工作机器人、备用机器人；

工作机器人配备有发送器及接收器，

备用机器人配备有接收器；

所述工作机器人、备用机器人均设有自身的控制器，当正常工作时，主控制器的发送器和所有工作机器人的接收器连接，工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作；当某工位上的工作机器人出现故障时，故障机器人通过发送器发送故障消息给主控制器及备用机器人的接收器，备用机器人通过接收器重载控制器、替代故障机器人和主控制器通讯(此时，备用机器人转换为工作机器人)，完成对工件的加工任务，同时主控制器断开与故障机器人之间的通讯。

优选地，所述主控制器的发送器通道初始值为第一数值，接收器通道初始值为第二数值；各工位上的机器人发送器通道初始值为第二数值，接收器通道初始值为第一数值；备用机器人接收器通道初始值为第二数值；

无故障时多机器人间通讯：当工位上的工作机器人能正常工作时，通讯集中在主控制器和各工位上的工作机器人之间，主控制器的发送器和所有工作机器人的接收器都通过相同的第一数值通道建立通讯；当主控制器的传感器检测到传送带上有工件到来时，主控制器通过发送器发送消息，告知工作机器人准备开始各自的任务；

某工作机器人发生故障时通讯：当工位上的某一台工作机器人发生故障时，此时故障机器人首先通过发送器的第二数值通道向主控制器及备用机器人的接收器第二数值通道发送消息，通知其已经发生故障；备用机器人收到消息后往故障机器人工位移动，并且完成初始位姿的调整；主控制器收到消息后，暂停一段时间使备用机器人能到达故障工位，并且完成初始位姿的调整；然后，备用机器人将接收器通道值设置为第一数值，当下一次工件经过时，主控制器通过第一数值通道发送的消息备用机器人就能收到；最后将故障机器人的接收器通道设置为系统不使用的空闲通道，断开主控制器与故障机器人之间的通讯；

备用机器人工作时多机器人间通讯：完成调整之后各机器人发送器和接收器通道如下：主控制器发送器通道值为第一数值，接收器通道值为第二数值；故障机器人的发送器通道值为第二数值，接收器通道值为设定值；其他工作机器人发送器通道值为第二数值，接收器通道值为第一数值；替换故障机器人的备用机器人接收器通道值为第一数值；此时主控制器的发送器和备用机器人、其他工作机器人的接收器都通过相同的第一数值通道建立通讯，而故障机器人和其余机器人则断开通讯连接。

优选地，本发明是一种基于Ether CAT通信总线实现的通信系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明从被控系统本身的设计出发，实现高可靠性控制：采用机器人工作组的划分，工作组是一些有物理可替代性的机器人个体组成；工作组的划分能在不显著降低系统可靠性的前提下，降低成本。

本发明通过对机器人工作组内部的通信系统设计，可以满足机器人在正常时、故障时和故障恢复后整个过程中系统工作方式的变动。

本发明方法不局限于某种机器人系统，也不限定具体的应用场景。使用本发明进行的多机器人系统仿真，结果显示在无故障情况及故障情况下都可以顺利地协调完成器件的生产加工任务，得到了比较满意的结果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中正常工作时多机器人间通讯示意图；

图2为本发明一实施例中某工位机器人发生故障时通讯示意图；

图3为本发明一实施例中备用机器人工作时多机器人间通讯示意图；

图4为本发明一实施例中基于Ether CAT通信总线实现的通信系统示意图；

图5为本发明一实施例中通讯报文格式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

本发明主要是一种针对于多机器人系统的高可靠性控制技术，首先针对高可靠性系统的根本——被控系统，提出了多机器人系统工作组划分、物理拓扑设计。机器人有了物理结构后需要控制器进行控制，基于上述的思路，本发明提出了多机器人系统及其通信系统。

如图1所示，在一实施例中，多机器人系统，包括：由工作机器人构成的工作组，以及由备用机器人构成的备用工作组。

工位上的工作机器人、备用机器人各自有自身的控制器。当设备正常工作时工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作；当某工位上的工作机器人出现故障时，备用机器人替代故障的工作机器人和主控制器通讯，完成对工件的加工任务。

根据多机器人系统的结构，本发明设计了多机器人系统的通信系统，用于实现工作机器人、备用机器人、主控制器之间的通讯以及通讯控制。

具体的，一种多机器人系统的通信系统，所述系统包括：

主控制器，配备有发送器及接收器，用于控制工作机器人、备用机器人；

工作机器人配备有发送器及接收器，

备用机器人配备有接收器；

所述工作机器人、备用机器人均设有自身的控制器，当正常工作时，主控制器的发送器和所有工作机器人的接收器连接，工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作；当某工位上的工作机器人出现故障时，故障机器人通过发送器发送故障消息给主控制器及备用机器人的接收器，备用机器人通过接收器重载控制器、替代故障机器人和主控制器通讯(此时，备用机器人转换为工作机器人)，完成对工件的加工任务，同时主控制器断开与故障机器人之间的通讯。

以下举例介绍多机器人间的通讯及控制流程。

多机器人间通讯：主控制器和各工位上的机器人各自都配备有发送器及接收器，备用机器人配备有发送器。主控制器发送器通道初始值为0，发送器通道初始值为1；各工位上的机器人发送器通道初始值为1，接收器通道初始值为0；备用机器人接收器通道初始值为1。

1)、无故障时多机器人间通讯

当工位上的工作机器人能正常工作时，通讯集中在主控制器和各工位上的工作机器人之间，如图1所示，机器人A、机器人B、机器人C、机器人D为工作机器人。事实上，机器人的数量是可变的(图中使用省略号表明)。主控制器的发送器和机器人A、机器人B、机器人C、机器人D的接收器都通过相同的通道0建立通讯。当主控制器的传感器检测到传送带上有工件到来时，主控制器通过发送器发送消息，告知机器人A、机器人B、机器人C、机器人D准备开始各自的任务。

2)、某工作机器人发生故障时通讯

当工位上的某一台工作机器人发生故障时(不妨设机器人A发生故障)，此时机器人A首先通过发送器的通道1向主控制器及备用机器人的发送器通道1发送消息，通知其已经发生故障。备用机器人收到消息后往机器人A工位移动，并且完成初始位姿的调整。主控制器收到消息后，暂停一段时间使备用机器人能到达机器人A工位，并且完成初始位姿的调整，完成后，备用机器人将接收器通道设置为0，目的是为了当下一次工件经过时，主控制器通过通道0发送的消息能使备用机器人收到。最后将机器人A的接收器通道设置为系统不使用的空闲通道(不妨设置为通道9)，断开主控制器与机器人A之间的通讯。整个流程如图2所示。

3)、备用机器人工作时多机器人间通讯

完成调整之后各机器人发送器和接收器通道如下：主控制器发送器通道值为0，接收器通道值为1；机器人A的发送器通道值为1，接收器通道值为9；机器人B、机器人C、机器人D的发送器通道值为1，接收器通道值为0；备用机器人的接收器通道值为0。此时主控制器的发送器和备用机器人、机器人B、机器人C、机器人D的接收器都通过相同的通道0建立通讯，而故障机器人A和其余机器人则断开通讯连接，如图3所示。

本发明中的通信系统强调的是一种面向应用的高层协议，并不局限以某一种物理层的通信总线。目前，工业以太网在多机器人控制领域应用的非常广泛。相比于其他工业控制总线，工业以太网具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及扩展性强等优点。其他总线，如CAN和RS485，他们的优势是较低的传输延迟，缺点是通信速率低、可扩展性差。对于多机器人系统的应用场景，一般的工业以太网的堆栈过于臃肿。换而言之，就是传统以太网的带宽很大，但实时性不好。在一实施例中，采用Ether CAT很好的解决了这个问题。

下面介绍以下整个系统的逻辑层次。网络协议的一般可以划分为5个层次，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层。具体对应到本通信系统，物理层和链路层相当于Ether CAT的以太网物理结构和链路规则；网络层就是对应与网络地址，这个网络地址对应于多台机器；传输层中，由于一只报文中有多个子报文，所以传输层是相对麻烦的一层，这也是技术关键所在；应用层的设计更多的是关系到应用需求，在本系统中“客户/服务器”以及“端对端”两种模式的结合，可以同时满足扩展性和灵活性的一些需求。

如图4所示，在一较佳实施例中基于Ether CAT通信总线实现的通信系统，在这种应用场景之下，一个工作组的机器人是以串行总线的形式连接起来的。从表面上看，这种结构和本发明中的通信系统结构有很多不同。然而从逻辑链路的角度来看，这两者却是完全一样的，即Ether CAT提供了上层所需的逻辑链路即可。

在通信链路的基础上，进一步需要进行数据通信的报文设计。事实上，报文格式属于应用层的协议，本系统的架构可以很好的体在报文的设计上。根据分析，多机器人系统中的报文大概可以归类为控制信息(主控制器)和反馈信息(工业机器人)。所以可以在EtherCAT上设计出图5中的通讯报文格式。Ether CAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回Ether CAT主站。以图5中的机器人1为例，它作为从站接收主控制器的控制信息(如启动，停止等命令)，然后把自己需要反馈的信息(故障信息，准备就绪等)写入到以太网帧中，最后转发报文。

本发明设计的是一种显式通讯下基于“客户/服务器”与“端对端”混合的通信系统。因此，本系统具有较高的扩展性，易于实现不同的应用场景。此外，本发明通信系统是基于Ether CAT的，可以兼顾实时性、扩展性和网络带宽。在多机器人生产运行的过程中，机器人之间一般不进行直接通信，而是统一的与主控制器(服务器)通信。主控制器综合各个机器人反馈信息以及传感器数据，然后对数据进行处理，然后通知各个机器人实现各种运行逻辑或者是故障恢复过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种多机器人系统的通信系统，其特征在于：

所述多机器人系统，包括由工作机器人构成的工作组，以及由备用机器人构成的备用工作组，所述工作组、备用工作组分别是一组硬件结构相同、物理位置接近的多个工作机器人或备用机器人，工作组、备用工作组内的各机器人是物理可替换的，同时备用机器人和工作机器人之间的工作位置可替换；当某工作机器人出现故障时，备用机器人能自动实现替换故障工位的工作机器人，不需要其他的干预；

所述通信系统包括：

主控制器，配备有发送器及接收器，用于控制工作机器人、备用机器人；

工作机器人配备有发送器及接收器，

备用机器人配备有接收器；

所述工作机器人、备用机器人均设有自身的控制器，当正常工作时，主控制器的发送器和所有工作机器人的接收器连接，工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作；当某工位上的工作机器人出现故障时，故障机器人通过发送器发送故障消息给主控制器及备用机器人的接收器，备用机器人通过接收器重载控制器、替代故障机器人和主控制器通讯，完成对工件的加工任务，同时主控制器断开与故障机器人之间的通讯；

所述主控制器发送器通道初始值为第一数值，接收器通道初始值为第二数值；各工位上的机器人发送器通道初始值为第二数值，接收器通道初始值为第一数值；备用机器人接收器通道初始值为第二数值；

无故障时多机器人间通讯：当工位上的工作机器人能正常工作时，通讯集中在主控制器和各工位上的工作机器人之间，主控制器的发送器和所有工作机器人的接收器都通过相同的第一数值通道建立通讯；当主控制器的传感器检测到传送带上有工件到来时，主控制器通过发送器发送消息，告知工作机器人准备开始各自的任务；

某工作机器人发生故障时通讯：当工位上的某一台工作机器人发生故障时，此时该工作机器人首先通过发送器的第二数值通道向主控制器及备用机器人的接收器第二数值通道发送消息，通知其已经发生故障；备用机器人收到消息后往故障机器人工位移动，并且完成初始位姿的调整；主控制器收到消息后，暂停一段时间使备用机器人能到达故障工位，并且完成初始位姿的调整；然后，备用机器人将接收器通道值设置为第一数值，当下一次工件经过时，主控制器通过第一数值通道发送的消息备用机器人就能收到；最后将故障机器人的接收器通道设置为系统不使用的空闲通道，断开主控制器与故障机器人之间的通讯；

备用机器人工作时多机器人间通讯：完成调整之后各机器人发送器和接收器通道如下：主控制器发送器通道值为第一数值，接收器通道值为第二数值；故障机器人的发送器通道值为第二数值，接收器通道值为设定值；其他工作机器人发送器通道值为第二数值，接收器通道值为第一数值；替换故障机器人的备用机器人接收器通道值为第一数值；此时主控制器的发送器和备用机器人、其他工作机器人的接收器都通过相同的第一数值通道建立通讯，而故障机器人和其余机器人则断开通讯连接。

2.根据权利要求1所述的多机器人系统的通信系统，其特征在于，所述工作机器人、备用机器人均设有自身的控制器，当正常工作时工位上的工作机器人与主控制器进行通讯完成生产操作，当某工位上的工作机器人出现故障时，备用机器人替代故障机器人和主控制器通讯，完成对工件的加工任务。

3.根据权利要求1或2所述的多机器人系统的通信系统，其特征在于，所述通信系统是一种基于Ether CAT通信总线实现的通信系统。

4.根据权利要求3所述的多机器人系统的通信系统，其特征在于，一个工作组的机器人是以串行总线的形式连接起来的。

5.根据权利要求4所述的多机器人系统的通信系统，其特征在于，所述通信系统需要进行数据通信的报文设计，多机器人系统中的报文归类为主控制器的控制信息和工业机器人的反馈信息；主控制器为主站，工业机器人为从站；

在Ether CAT上设计出的通讯报文格式为：Ether CAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站；最后一个从站处理结束后，将报文传递回Ether CAT主站。