CN109079776A - 一种工业机器人控制算法动态重构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人控制算法动态重构的方法。在不中断控制系统运行的情况下对控制算法进行无扰动在线更新的技术，采用第三方虚拟控制器技术方法，在不改变工业机器人原有控制系统的情况下，可以运行虚拟控制器构建而成的控制程序，实现机器人控制算法无扰动动态重构，保持机器人应用的一致性，并满足机器人实时控制任务；当对控制算法进行动态调整时，不仅属性参数可以变化，算法的结构也可以变化；并且这种改变是在控制平台维持正常工作的状态下进行的。本发明方法能够在不中断控制系统运行的情况下对控制算法进行无扰动动态重构。

Description

一种工业机器人控制算法动态重构的方法

技术领域

本发明属于工业自动化软件控制技术领域，具体涉及一种工业机器人控制算法动态重构的方法。

背景技术

传统制造业正在面临着产业升级和智能化改造，面对越来越复杂的生产工序，日益缩短的生产周期和不稳定的工业制造环境下，自动化生产领域对工业机器人的柔性控制，响应速度等性能要求越来越高。当前的制造业迫切地需要一种可动态的修改工业机器人控制算法的方法。同时，在工业生产控制过程中，工业机器人控制任务的切换对生产过程，产品质量都有很大的影响，因此我们需要对工业机器人控制任务动态重构的过程中实现无扰动切换，以保证工业自动化生产的稳定性和可靠性。

目前工业机器人实现控制任务的动态重构依然是一个巨大的挑战，主要原因如下：一是机器人制造厂商生产的机器人采用机器编程语言与软件工具通常都是事先经过离线编程再将控制指令传输给机器人的控制器，基本上无法支持机器人协同控制算法的在线编程吗，这将造成机器人操作成本过高的问题。在某些关键时刻，关闭机器人控制系统，可能造成系统异常以及甚至伤害人类；二是新的机器人控制算法的切换，编译以及软件进程的变化将对机器人产生较大的扰动，影响工业机器人的工作质量；三是目前工业机器人控制算法的动态重构实现方法不简单，现有研究大部分采用的是对机器人的原有控制器进行改造或者采用复杂控制算法，而且改造过程方式复杂，扩展性差，且算法难以实现，技术成本大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人控制算法动态重构的方法，能够在不中断控制系统运行的情况下对控制算法进行无扰动动态重构。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种工业机器人控制算法动态重构的方法，包括如下步骤：

步骤S1：设计开发工业机器人与虚拟控制器的通信接口模块，将工业机器人及其原有控制器集成到虚拟控制器中；

步骤S2：采用独立于控制对象和应用算法的元件组态方法来实现机器人控制；其中每类元件的内部封装有各自的功能函数，元件间的连接关系对应着控制状态的递推关系，传递流程以及基本控制算法的编码过程；

步骤S3：开发工业机器人动态控制组态程序；同时工业机器人控制组态程序发生动态变化时，控制过程实质上转化为实时数据库的更新过程；由于虚拟控制器运行时只接受工业机器人控制算法转换而来的组态数据，因此虚拟控制器只需要在一个扫描周期之内，将内存区指定的组态数据更新置换即可；

步骤S4：测试工业机器人动态重构的控制效果。

在本发明一实施例中，所述步骤S1中，根据工业机器人所开放的通信协议，设计并开发相应的通信接口模块；所述通信接口模块能够在以太网环境中调用工业机器人的API应用程序编程接口，并发送控制数据监控实时状态，实现工业机器人与虚拟控制器的连接通信。

在本发明一实施例中，所述虚拟控制器由内存数据库、算法执行器、任务调度模块和数据缓存区组成，其中，工业机器人及复杂控制数据都被实时地存储在内存数据库中，算法执行器用于处理控制算法组态程序的核心组件，任务调度模块用以虚拟控制器中任务调度，保证控制任务顺利运行，数据缓存区用于支态元件计算过程实时输出的缓存；虚拟控制器能够接受元件组态经过变换形成的组态数据，包括控制元件内部变量的状态、元件算法的信息、控制元件计算属性参数以及上个计算周期的计算结果，该些数据一旦被传送至数据库，即可触发虚拟控制器周期性的数据更新。

在本发明一实施例中，该方法实现工业机器人控制算法动态重构的方式为：

当云服务算法发生重构时，比较新的元件组态数据和数据库中的内容是否存在变化，只有发生变化的元件组态数据被发送到虚拟控制器的缓存区；当虚拟控制器接收到重构请求后，将停止当前所有元件的计算服务，仅对局部差异部分的数据进行更新，虚拟控制器的软件进程以及控制算法中涉及到的计算变量在内存区中的结构与位置未发生任何改变；因此，动态重构的功能依赖于虚拟控制器内部结构的特点，即控制组态的变化等价于内存数据库的相应变化，新的控制算法的导入过程只涉及内存数据的读写，而虚拟控制器的软件进程没有因此而发生任何变化，从而实现无扰动动态重构。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、使用本发明办法，可有效避免工业制造过程中，由于程序改动而停止程序运行，重新下载，重新编译以及重启系统等操作，从而避免停止程序运行造成的系统过程状态中断和丢失，避免由于系统运行对一些重要的控制任务造成影响，减少工业生产的经济损失；

2、使用本发明方法，用户可以在系统运行的状态下持续优化应用，而不影响其运行的连续性和稳定性；

3、本发明方法提高了系统应对各种复杂，不确定和不断变化的生产需求的能力，同时大幅度地降低了系统的开发，调试及运维成本，使得控制系统能够适应柔性生产的需求。

附图说明

图1为本发明中工业机器人控制算法动态重构方法的流程。

图2为本发明中工业机器人控制算法动态重构的示例图。

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。

本发明提供了一种工业机器人控制算法动态重构的方法，包括如下步骤：

步骤S1：设计开发工业机器人与虚拟控制器的通信接口模块，将工业机器人及其原有控制器集成到虚拟控制器中；

步骤S2：采用独立于控制对象和应用算法的元件组态方法来实现机器人控制；其中每类元件的内部封装有各自的功能函数，元件间的连接关系对应着控制状态的递推关系，传递流程以及基本控制算法的编码过程；

步骤S3：开发工业机器人动态控制组态程序；同时工业机器人控制组态程序发生动态变化时，控制过程实质上转化为实时数据库的更新过程；由于虚拟控制器运行时只接受工业机器人控制算法转换而来的组态数据，因此虚拟控制器只需要在一个扫描周期之内，将内存区指定的组态数据更新置换即可；

步骤S4：测试工业机器人动态重构的控制效果。

所述步骤S1中，根据工业机器人所开放的通信协议，设计并开发相应的通信接口模块；所述通信接口模块能够在以太网环境中调用工业机器人的API应用程序编程接口，并发送控制数据监控实时状态，实现工业机器人与虚拟控制器的连接通信。

所述虚拟控制器由内存数据库、算法执行器、任务调度模块和数据缓存区组成，其中，工业机器人及复杂控制数据都被实时地存储在内存数据库中，算法执行器用于处理控制算法组态程序的核心组件，任务调度模块用以虚拟控制器中任务调度，保证控制任务顺利运行，数据缓存区用于支态元件计算过程实时输出的缓存；虚拟控制器能够接受元件组态经过变换形成的组态数据，包括控制元件内部变量的状态、元件算法的信息、控制元件计算属性参数以及上个计算周期的计算结果，该些数据一旦被传送至数据库，即可触发虚拟控制器周期性的数据更新。

该方法实现工业机器人控制算法动态重构的方式为：

当云服务算法发生重构时，比较新的元件组态数据和数据库中的内容是否存在变化，只有发生变化的元件组态数据被发送到虚拟控制器的缓存区；当虚拟控制器接收到重构请求后，将停止当前所有元件的计算服务，仅对局部差异部分的数据进行更新，虚拟控制器的软件进程以及控制算法中涉及到的计算变量在内存区中的结构与位置未发生任何改变；因此，动态重构的功能依赖于虚拟控制器内部结构的特点，即控制组态的变化等价于内存数据库的相应变化，新的控制算法的导入过程只涉及内存数据的读写，而虚拟控制器的软件进程没有因此而发生任何变化，从而实现无扰动动态重构。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，本发明提供的一种控制算法动态重构方法，其主要特征在于：它是一种在不中断控制系统运行的情况下对控制算法进行无扰动在线更新的技术，采用第三方虚拟控制器技术方法，在不改变工业机器人原有控制系统的情况下，可以运行虚拟控制器构建而成的控制程序，实现机器人控制算法无扰动动态重构，保持机器人应用的一致性，并满足机器人实时控制任务。当对控制算法进行动态调整时，不仅属性参数可以变化，算法的结构也可以变化。并且这种改变是在控制平台维持正常工作的状态下进行的。

步骤一：设计开发机器人与虚拟控制器的通信接口模块，将工业机器人及其原有控制器集成到虚拟控制器中。根据机器人所开放的通信协议，设计并开发相应的通信接口模块。所述通信接口模块能够在以太网环境中调用机器人的API应用程序编程接口，并发送控制数据监控实时状态，实现机器人与虚拟控制器的连接通信。

步骤二：采用一种独立于控制对象和应用算法的元件组态方法来实现机器人控制。其中每类元件的内部封装了特定的功能函数，元件间的连接关系对应着控制状态的递推关系，传递流程以及基本控制算法的编码过程。虚拟控制器由内存数据库、任务调度模块、算法执行器和数据缓存区组成部分，其中，机器人及复杂控制数据都被实时地存储在内存数据库中，算法执行器则是专门设计用来处理控制算法组态程序的核心组件，任务调度模块用以虚拟控制器中任务调度，保证控制任务顺利运行，数据缓存区用于支态元件计算过程实时输出的缓存。虚拟控制器可以接受元件组态经过变换形成的组态数据。这些数据主要包括控制元件内部变量的状态，元件算法的信息、控制元件计算属性参数以及上个计算周期的计算结果，这些数据一旦被传送至数据库，即可触发虚拟控制器周期性的数据更新。

步骤三：开发机器人动态控制的逻辑组态程序。同时机器人控制组态程序发生动态变化时，在上述的计算环境中，控制过程实质上转化为实时数据库的更新过程。由于虚拟控制器运行时只接受机器人控制算法转换而来的组态数据，因此虚拟控制器只需要在一个扫描周期之内，将内存区指定的组态数据更新置换即可。算法动态重构的原理如图2所示，当云服务算法发生重构时，比较新的元件组态数据和数据库中的内容是否存在变化，只有发生变化的元件组态数据被发送到虚拟控制器的缓存区。当虚拟器接收到重构请求后，将停止当前所有元件的计算服务，仅对局部差异部分的数据进行更新，虚拟控制器的软件进程以及控制算法中涉及到的计算变量在内存区中的结构与位置未发生任何改变。因此，动态重构的功能依赖于虚拟控制器内部结构的特点，即控制组态的变化等价于内存数据库的相应变化，新的控制算法的导入过程只涉及内存数据的读写，而虚拟控制器的软件进程（执行程序）没有因此而发生任何变化，这就是无扰动动态重构的基本原理。

例如，A表示控制元件在虚拟控制器内存区的绝对地址，T表示控制元件的拓扑排列，y表示控制元件的目标（即控制元件的输出，作为一个元件的外部驱动）。假设控制元件P的外部驱动来自于控制元件1,2和3，显然，A和y将不会随着拓扑关系的变化而变化。因而不会对机器人的正常运行产生较大的干扰。这样的设计也使得机器人系统在执行控制程序重构操作前后仍然能够满足系统输出的一致性要求。

机器人在任一时刻都具备4种指令执行状态 ，即：

动态重构要求新旧控制算法交换时，系统控制组态的执行必须是连续的和一致的。重构后，新算法的执行能够在满足特定外部条件的情况下产生相应控制效果：

步骤四：测试机器人动态重构的控制效果。

运行机器人初始控制系统，经语法检测组件测验无误后，发送到虚拟控制器计算。虚拟控制器在完成新算法的解析和计算后，将控制数据利用通信接口调用API程序并将控制数据发送至机器人控制器，从而驱动机械臂完成新的控制动作，并保持当前运动状态。得益于组态元件的固有特性和虚拟控制器机理，本案例中算法重构期间并不涉及算法源码重编译，可以在不停止机器人正常运行的情况下完成。

通过在线修改机器人控制程序，包括元件的参数、逻辑的修改、组态元件的增减等，测试机器人的在线编程控制效果。

例如初始状态下，机器人保持机械臂末端坐标不变，沿轴作振幅为±5dm的周期性上下摆运动；在3秒时，改变元件参数，将正方向的振幅在线地调整为3dm，使得机器人末端将y沿轴做振幅为+3dm、-5dm的周期性上下摆运动，并保持该状态；在5秒时，在线修改机器人的控制逻辑，使得机械臂末端y轴将按照振幅为2dm，周期为125ms的正弦波方式运动，同时观察机器人能否平滑地过渡到新的控制指令。

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 (4)

1.一种工业机器人控制算法动态重构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：设计开发工业机器人与虚拟控制器的通信接口模块，将工业机器人及其原有控制器集成到虚拟控制器中；

步骤S2：采用独立于控制对象和应用算法的元件组态方法来实现机器人控制；其中每类元件的内部封装有各自的功能函数，元件间的连接关系对应着控制状态的递推关系，传递流程以及基本控制算法的编码过程；

步骤S3：开发工业机器人动态控制组态程序；同时工业机器人控制组态程序发生动态变化时，控制过程实质上转化为实时数据库的更新过程；由于虚拟控制器运行时只接受工业机器人控制算法转换而来的组态数据，因此虚拟控制器只需要在一个扫描周期之内，将内存区指定的组态数据更新置换即可；

步骤S4：测试工业机器人动态重构的控制效果。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人控制算法动态重构的方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据工业机器人所开放的通信协议，设计并开发相应的通信接口模块；所述通信接口模块能够在以太网环境中调用工业机器人的API应用程序编程接口，并发送控制数据监控实时状态，实现工业机器人与虚拟控制器的连接通信。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人控制算法动态重构的方法，其特征在于，所述虚拟控制器由内存数据库、算法执行器、任务调度模块和数据缓存区组成，其中，工业机器人及复杂控制数据都被实时地存储在内存数据库中，算法执行器用于处理控制算法组态程序的核心组件，任务调度模块用以虚拟控制器中任务调度，保证控制任务顺利运行，数据缓存区用于组态元件计算过程实时输出的缓存；虚拟控制器能够接受元件组态经过变换形成的组态数据，包括控制元件内部变量的状态、元件算法的信息、控制元件计算属性参数以及上个计算周期的计算结果，该些数据一旦被传送至数据库，即可触发虚拟控制器周期性的数据更新。

4.根据权利要求1所述的一种工业机器人控制算法动态重构的方法，其特征在于，该方法实现工业机器人控制算法动态重构的方式为：

当云服务算法发生重构时，比较新的元件组态数据和数据库中的内容是否存在变化，只有发生变化的元件组态数据被发送到虚拟控制器的缓存区；当虚拟控制器接收到重构请求后，将停止当前所有元件的计算服务，仅对局部差异部分的数据进行更新，虚拟控制器的软件进程以及控制算法中涉及到的计算变量在内存区中的结构与位置未发生任何改变；因此，动态重构的功能依赖于虚拟控制器内部结构的特点，即控制组态的变化等价于内存数据库的相应变化，新的控制算法的导入过程只涉及内存数据的读写，而虚拟控制器的软件进程没有因此而发生任何变化，从而实现无扰动动态重构。