CN106444607A - 多异构工业机器人数据通信及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多异构工业机器人数据通信及控制方法。为了完成不同品牌工业机器人之间的数据通信，本发明采用了一种面向异构控制硬件的数据交换方法，不仅可以实现不同品牌工业机器人异构控制器之间的数据交互，还支持在多个异构控制器之间运行同一套控制算法组态程序，从而实现各机器人之间的协同控制，且实时性强、灵活性高。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化软件控制技术领域，具体为一种多异构工业机器人数据通信及控制方法。
背景技术
当前工业机器人广泛应用于各种环境中，面临着越来越复杂的工序，用户对产品的质量、效率要求也越来越高。为克服单机器人操作时遇到的一些工作空间不可达、效率低等缺点，现有技术通常采用多机器人协同操作。目前现有的多工业机器人的控制结构存在几个主要的问题，一是普遍采用工业机器人原有的专用控制器，这种专用控制器的配置在出厂时已针对机器人的关节数和精度要求预先设计好，应用成本很高；二是大多数多机器人协同控制的研究是针对同一种品牌的机器人的，而对于不同品牌的异构机器人的研究较少，异构工业机器人是指不同厂家生产的、不同型号的多个工业机器人，它们的硬件结构，操作系统，以及原有的编程语言和控制方法等软硬件平台存在很大的差异；三是工业机器人编程系统通常采用示教编程的方法，示教工作很繁琐，编程灵活性差，而且效率低下。
专利CN 201610023068.0、CN201410649607.2是目前最接近本发明方法的现有技术。前者提出了一种面向不同类型的多工业机器人的群控系统及方法，但其应用对象主要是针对不同构性和不同关节数量的机器人群体，而且用户只可选择支持某种通信协议的通用计算机作为机器人的控制器，而无法自主地选择稳定性、可靠性更高的不同品牌来源的PLC作为机器人的控制“大脑”。除此之外，其编程系统主要采用的仍是示教编程或离线编程的方法对机器人进行实时控制，实际应用时也不具备足够的灵活性。后者则提出了一种多机器人焊接系统的群控装置及方法，该方法中所有机器人都配备带有CC-LINK通讯卡的独立控制器，PLC作为主控器对各个机器人工作任务进行协调、监控，但并未涉及PLC类型的选配，以及不同类型控制器间数据的通信实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多异构工业机器人数据通信及控制方法，用于解决现有技术中异构多机器人控制系统难以自主选择PLC控制器的类型、扩展性差，不同类型的机器人控制器难以运行相同控制算法，编程灵活性不足、效率低，控制效果不理想等技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多异构工业机器人数据通信及控制方法，包括如下步骤，
S1：根据多异构工业机器人控制系统的构成及其控制的任务需求，确定工业机器人及其控制器间的通信功能；
S2：通过上位机的工业组态软件开发工业机器人的控制组态程序，并为用户提供工程数据组态界面、人机交互组态界面，同时，还提供基于组态元件的控制算法组态编程界面；
S3：不同类型的工业机器人的控制器接收来自上位机的控制组态程序，并按统一规范的数据结构存储于内存区域，并通过相应的计算模块对相同的控制组态算法进行运算；
S4：各种不同类型的控制器通过数据交换软件完成数据的交互通信；
S5：各个控制器按照工业机器人所支持的通讯协议，通过工业以太网将实时控制数据发送至对应的工业机器人的各个关节驱动模块中，从而驱动机器人本体运动到指定的空间位姿；同时，工业机器人本体也将每个关节的运动状态信息实时地反馈至相对应的控制站。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中：
（1）多异构工业机器人控制系统的构成：所述多异构工业机器人控制系统由多台不同品牌、不同型号的异构工业机器人，多个不同种类的控制器，上位机和通信网络构成；每个控制器对应多台机器人；所述上位机、控制器与工业机器人之间通过工业以太网建立连接关系；所述控制器的类型包括不同品牌的PLC和基于QNX、Linux、Windows的IPC；
（2）工业机器人及其控制器间的通信功能：每个工业机器人对应的控制器能够通过自身的通信模块和工业机器人的关节驱动模块，周期性地采集工业机器人本体的状态信息；所述状态信息包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常的状态数据和报警数据；不同类型的工业机器人本体能够通过相应的关节驱动模块，从各自的控制器中读取控制数据，包括机器人末端位姿与速度、各个关节的脉冲值和角度。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中：
采用工业组态软件通过图形化组态的方式编程实现包括工业机器人的正运动学计算、运动过程中间点插补、逆运动学计算的控制组态程序；所述控制组态程序包含人机界面组态程序和控制算法组态程序；
所述控制算法组态程序是由一组颗粒度很小的元件通过图形化组态的方式构建而成，每个元件均包含预定数量的属性参数，包括输入输出参数、元件控制参数和调用参数；
此外，所述控制算法组态编程界面还对元件的显示进行可视化的设计，使得每个元件的输入输出的实时值均可实时、动态地显示在编程界面中。
在本发明一实施例中，所述步骤S3中：
所述控制组态程序包含一组按照预定计算时序排列且首尾相连的元件，每个元件负责完成指定的控制功能；在控制器层，每个元件包含的控制信息都是直接嵌入在PLC或IPC的内存区域中的；不同类型的控制器均采用相同的数据结构规范来存储控制组态程序；
每个元件在被运算前，都被分解成了指令模块和独立的数据模块两个部分，分别存储于不同的区域，二者通过地址指针进行关联；此外，对于不同类型的PLC或IPC控制器，其内存都被划分为若干区域，且每个区域与一个元件的数据模块相对应；所述数据模块包含了元件的各种属性参数和计算过程的实时动态数据；
整个控制组态算法是通过各个控制器的计算模块进行运算的，并且算法执行过程是按照每个元件预先设定的计算时序，依次地执行周期性计算；
从而使得工业机器人控制组态算法在控制器中所占用的内存和计算量得到有效地控制，工业机器人的异构控制器之间也能够运行相同的控制算法组态程序。
在本发明一实施例中，所述步骤S4中：
所述数据交换软件包括虚拟控制器和数据通信软件两个部分；所述虚拟控制器能够模拟控制器的计算行为，采用与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，能够接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能；所述数据通信软件的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现不同类型控制器之间的数据交互；
工业机器人的异构控制器在执行相同控制算法时，只需要完成各个控制器之间各元件的数据模块部分的通信和同步即可；数据通信时，需对系统通信参数和各个控制器之间的通信内容进行配置；
所述系统通信参数，包括参与通信的控制器的节点信息和控制器间的通信周期；所述控制器的节点信息包括控制器类型、IPC地址、控制器的通信端口号；
所述各个控制器之间的通信内容，包括数据读写方向、数据量和数据类型。
在本发明一实施例中，所述步骤S5中：工业机器人与其控制器数据交互的过程中，控制器根据系统的控制功能和各种机器人所反馈的数据格式，预先对控制器的IO存储空间进行规划分配，使其既符合工业机器人本体控制功能的实时通信的格式定义，又能完整覆盖系统需要的控制功能。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、采用本发明方法的工业生产用户可以为自己的工厂自主地选择不同制造商生产的不同种类的工业机器人，应用灵活、可扩展性好；
2、使用本发明方法，用户可以不再使用工业机器人原有的专用控制器，而是可以根据生产过程工艺环节的复杂性，自主地选择更可靠、稳定和经济的PLC、IPC控制器作为机器人控制硬件，并且控制器的品牌、型号和数量均可根据生产需求灵活选配；从而大大地提高了多机器人控制系统扩展的灵活性和方便性，提高控制资源的利用率资源；
3、此外，本发明方法还为不同品牌的控制硬件提供了有效的数据通信和控制方法，使得不同类型的工业机器人还可以执行相同的控制组态算法，异构工业机器人之间的协同控制更加灵活、高效。
附图说明
图1为本发明多异构工业机器人的数据通信与控制方法的流程图。
图2为本发明实施例中多异构机器人控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1-2所示，本发明提供的多异构工业机器人的数据通信及控制方法，主要特征在于：为了完成不同品牌工业机器人之间的数据通信，本发明采用了一种面向异构控制硬件的数据交换方法，不仅可以实现机器人异构控制器之间的数据交互，还支持在多个异构控制器之间运行同一套控制算法组态程序，从而实现各机器人之间的协同控制，且实时性强、灵活性高。
为实现上述功能，本发明是通过以下技术手段和措施来实现的：
步骤一：根据多异构工业机器人控制系统的构成及其控制的任务需求，确定工业机器人及其控制器间通信的基本功能。
（1）多异构工业机器人控制系统的构成：所述多异构工业机器人控制系统由多台不同品牌、不同型号的异构工业机器人，多个不同种类的控制器，上位机和通信网络构成；每个控制器对应多台机器人；所述上位机、控制器与工业机器人之间通过工业以太网建立连接关系。所述控制器的类型包括不同品牌的PLC和基于QNX、Linux和Windows的IPC。
（2）工业机器人及其控制器间通信的基本功能：每个机器人对应的控制器能够通过自身的通信模块和机器人的关节驱动模块，周期性地采集机器人本体的状态信息。所述状态信息包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常等状态数据和报警数据；不同类型的机器人本体能够通过相应的关节驱动模块，从各自的控制器中读取控制数据，包括机器人末端位姿与速度、各个关节的脉冲值和角度。
步骤二：通过上位机的工业组态软件开发工业机器人的控制组态程序，并为用户提供工程数据组态界面、人机交互组态界面，特别地，还提供了基于组态元件的控制算法组态编程界面，具有编程灵活、调试方便的特点。
本发明中工业机器人的正运动学计算、运动过程中间点插补、逆运动学计算等控制指令均采用工业组态软件通过图形化组态的方式编程实现。所开发的控制组态程序包含人机界面组态程序和控制算法组态程序。
所述控制算法组态程序是由一组颗粒度很小的元件通过图形化组态的方式构建而成，每个元件均包含一定数量的属性参数，包括输入输出参数、元件控制参数和调用参数。
此外，所述控制算法组态编程界面还对元件的显示进行可视化的设计，使得每个元件的输入输出的实时值均可实时、动态地显示在编程界面中。
步骤三：不同类型的机器人控制器接收来自上位机的控制组态程序，并按统一规范的数据结构存储于内存区域，并通过相应的计算模块对相同的控制组态算法进行运算。
本发明的控制组态程序包含一组按照一定计算时序排列且首尾相连的元件，每个元件负责完成指定的控制功能。在控制器层，每个元件包含的控制信息都是直接嵌入在PLC或IPC的内存区域中的。不同于常规的用户指令的执行方式，本发明中，不同类型的控制器均采用相同的数据结构规范来存储控制组态程序。
其中要说明的是，每个元件在被运算前，都经过了特殊地处理，即被分解成了指令模块和独立的数据模块两个部分，分别存储于不同的区域，二者通过地址指针进行关联。此外，对于不同类型的PLC或IPC控制器，其内存都被划分为若干区域，且每个区域与一个元件的数据模块相对应。所述数据模块包含了元件的各种属性参数和计算过程的实时动态数据。
整个控制组态算法是通过各个控制器的计算模块进行运算的，并且算法执行过程是按照每个元件预先设定的计算时序，依次地执行周期性计算。
经过这种处理，本发明中机器人控制组态算法在控制器中所占用的内存和计算量得到了有效地控制，机器人的异构控制器之间也能够运行相同的控制算法组态程序。
步骤四：各种不同类型的控制器通过数据交换软件完成数据的交互通信。
所述数据交换软件包括虚拟控制器和数据通信软件两个部分。所述虚拟控制器能够模拟控制器的计算行为，采用与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，可以接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能。所述数据通信软件的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现不同类型控制器之间的数据交互。
本发明中，机器人的异构控制器在执行相同控制算法时，只需要完成各个控制器之间各元件的数据模块部分的通信和同步即可。数据通信时，需对系统通信参数和各个控制器之间的通信内容进行配置。
所述系统通信参数，包括参与通信的控制器的节点信息和控制器间的通信周期。所述控制器的节点信息包括控制器类型、IPC地址、控制器的通信端口号。
所述各个控制器之间的通信内容，包括数据读写方向、数据量和数据类型。
步骤五：各个控制器按照机器人所支持的通讯协议，通过工业以太网将实时控制数据发送至对应的机器人的各个关节驱动模块中，从而驱动机器人本体运动到指定的空间位姿。同时，机器人本体也能将每个关节的运动状态信息实时地反馈至相对应的控制站。
机器人与其控制器数据交互的过程中，控制器应根据系统的控制功能和各种机器人所反馈的数据格式，预先对控制器的IO存储空间进行规划分配，使其既符合机器人本体控制功能的实时通信的格式定义，又能完整覆盖系统需要的控制功能。
实施例
如图2所示，以某个简单的多异构工业机器人控制系统为例，整个系统框架包括2台PLC控制器和6台工业机器人。将机器人进行分组，A组包含3台安川的六轴工业机器人，B组包含3台三菱的六轴机器人，两组分别采用欧姆龙PLC A’和施耐德PLC B’进行控制。PLC控制器作为连接不同机器人的计算中心和控制中心，具有网络通讯、数据采集、运动控制、路径规划等功能。不同类型的机器人本体，通过遵循特定的工业以太网数据通信协议和机器人关节驱动模块，集成至PLC控制器上。
具体实施步骤如下：
（1）A组安川机器人按照工业组态软件规划好的路径执行相应的运动，并将其走过的角度等运动状态数据实时地返回至控制器PLC A’。
（2）控制器PLC B’通过数据交换软件与控制器PLC A’进行数据通信，完成数据更新和同步。
（3）B组三菱机器人通过读取控制器PLC B’相应储存区域的数据，并运用运动学正解求出相应的位姿，执行相应的轨迹运动。
（4）每个控制器向各自机器人发送监视指令，实时地采集机器人所有可监视的信息，并将信息存储于指定的内存区域。
（5）利用工业组态软件，监控和分析两组工业机器人的实时运动情况，实验结果表明，两组机器人实现了很好的随动控制。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：根据多异构工业机器人控制系统的构成及其控制的任务需求，确定工业机器人及其控制器间的通信功能；
S2：通过上位机的工业组态软件开发工业机器人的控制组态程序，并为用户提供工程数据组态界面、人机交互组态界面，同时，还提供基于组态元件的控制算法组态编程界面；
S3：不同类型的工业机器人的控制器接收来自上位机的控制组态程序，并按统一规范的数据结构存储于内存区域，并通过相应的计算模块对相同的控制组态算法进行运算；
S4：各种不同类型的控制器通过数据交换软件完成数据的交互通信；
S5：各个控制器按照工业机器人所支持的通讯协议，通过工业以太网将实时控制数据发送至对应的工业机器人的各个关节驱动模块中，从而驱动机器人本体运动到指定的空间位姿；同时，工业机器人本体也将每个关节的运动状态信息实时地反馈至相对应的控制站。
2.根据权利要求1所述的多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：所述步骤S1中：
（1）多异构工业机器人控制系统的构成：所述多异构工业机器人控制系统由多台不同品牌、不同型号的异构工业机器人，多个不同种类的控制器，上位机和通信网络构成；每个控制器对应多台机器人；所述上位机、控制器与工业机器人之间通过工业以太网建立连接关系；所述控制器的类型包括不同品牌的PLC和基于QNX、Linux、Windows的IPC；
（2）工业机器人及其控制器间的通信功能：每个工业机器人对应的控制器能够通过自身的通信模块和工业机器人的关节驱动模块，周期性地采集工业机器人本体的状态信息；所述状态信息包括各个关节的角度、速度、末端位姿，以及启停、复位、异常的状态数据和报警数据；不同类型的工业机器人本体能够通过相应的关节驱动模块，从各自的控制器中读取控制数据，包括机器人末端位姿与速度、各个关节的脉冲值和角度。
3.根据权利要求1所述的多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：所述步骤S2中：
采用工业组态软件通过图形化组态的方式编程实现包括工业机器人的正运动学计算、运动过程中间点插补、逆运动学计算的控制组态程序；所述控制组态程序包含人机界面组态程序和控制算法组态程序；
所述控制算法组态程序是由一组颗粒度很小的元件通过图形化组态的方式构建而成，每个元件均包含预定数量的属性参数，包括输入输出参数、元件控制参数和调用参数；
此外，所述控制算法组态编程界面还对元件的显示进行可视化的设计，使得每个元件的输入输出的实时值均可实时、动态地显示在编程界面中。
4.根据权利要求1所述的多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：所述步骤S3中：
所述控制组态程序包含一组按照预定计算时序排列且首尾相连的元件，每个元件负责完成指定的控制功能；在控制器层，每个元件包含的控制信息都是直接嵌入在PLC或IPC的内存区域中的；不同类型的控制器均采用相同的数据结构规范来存储控制组态程序；
每个元件在被运算前，都被分解成了指令模块和独立的数据模块两个部分，分别存储于不同的区域，二者通过地址指针进行关联；此外，对于不同类型的PLC或IPC控制器，其内存都被划分为若干区域，且每个区域与一个元件的数据模块相对应；所述数据模块包含了元件的各种属性参数和计算过程的实时动态数据；
整个控制组态算法是通过各个控制器的计算模块进行运算的，并且算法执行过程是按照每个元件预先设定的计算时序，依次地执行周期性计算；
从而使得工业机器人控制组态算法在控制器中所占用的内存和计算量得到有效地控制，工业机器人的异构控制器之间也能够运行相同的控制算法组态程序。
5.根据权利要求1所述的多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：所述步骤S4中：
所述数据交换软件包括虚拟控制器和数据通信软件两个部分；所述虚拟控制器能够模拟控制器的计算行为，采用与PLC、IPC控制器相同的数据存储规范，能够接收来自控制组态软件的组态数据，经过运算后产生相应的输出，具备执行控制算法组态程序的功能；所述数据通信软件的功能是利用虚拟控制器与不同品牌的控制器之间进行数据通信中转，从而间接地实现不同类型控制器之间的数据交互；
工业机器人的异构控制器在执行相同控制算法时，只需要完成各个控制器之间各元件的数据模块部分的通信和同步即可；数据通信时，需对系统通信参数和各个控制器之间的通信内容进行配置；
所述系统通信参数，包括参与通信的控制器的节点信息和控制器间的通信周期；所述控制器的节点信息包括控制器类型、IPC地址、控制器的通信端口号；
所述各个控制器之间的通信内容，包括数据读写方向、数据量和数据类型。
6.根据权利要求1所述的多异构工业机器人数据通信及控制方法，其特征在于：所述步骤S5中：工业机器人与其控制器数据交互的过程中，控制器根据系统的控制功能和各种机器人所反馈的数据格式，预先对控制器的IO存储空间进行规划分配，使其既符合工业机器人本体控制功能的实时通信的格式定义，又能完整覆盖系统需要的控制功能。
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