CN109807900A - 一种工业机器人组件化控制系统的软件架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，该架构在纵向上将工业机器人控制系统划分为展现层、业务层、数据层及通信层四个层级，展现层用于完成用户控制指令的输入及系统状态的输出显示；业务层位于展现层之下，用于对用户通过展现层的输入或来自外部设备的输入进行业务逻辑处理，同时传递相关信息、数据给其他层次；通信层处于工业机器人控制系统架构的底层，用于为业务层提供与外部硬件设备通信的接口；数据层同样位于工业机器人控制系统架构的底层，与通信层属于并列关系，用于为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口。

Description

一种工业机器人组件化控制系统的软件架构

技术领域

本发明属于工业机器人控制系统领域，具体的说，涉及一种基于组件的软件架构，该架构可用于开发具有功能扩展性的工业机器人控制系统。

背景技术

随着智能制造时代的到来，工业机器人市场需求量增加，工业机器人的使用场景与功能需求也日趋复杂。为满足多样化需求，工业机器人控制系统提供商需提供满足多个厂家、不同通信协议的工业机器人本体的通用工业机器人控制器；工业机器人整机提供商需提供多种负载、尺寸或结构的工业机器人产品来满足市场需要；工业机器人系统集成商需针对特定的应用领域、特定的用户需求在通用工业机器人产品的基础上进行功能的定制与扩展。为提升工业机器人产品在面对多样化需求过程中的开发效率、降低开发成本，需要开发一种功能方便扩展、可根据需求灵活配置、开发简单便捷的工业机器人控制系统。本发明设计了一种工业机器人组件化控制系统的软件机构，通过该架构进行工业机器人控制系统的开发可达到以上需求。

近年来关于组件化控制系统软件架构的研究已经展开。伦敦大学的K.Nilsson和R.Johanssom(Nilsson K,Johansson R.Integrated architecture for industrialrobot programming and control[J].Robotics and Autonomous Systems,1999,29(4):205-226.)认为机器人控制系统应该基于分层结构，并从用户的角度把系统划分为任务级编程、离线编程、在线编程、执行、应用控制、运动控制、手臂控制和电机控制八个层次。该架构把上述八个层次划分为终端用户级、系统级和伺服级。其中，用户级包含任务级编程层、离线编程层和在线编程层，任务级编程层位于用户级的最高层，在离线编程系统之上实现，可以通过离线编程工具直接访问。系统级负责机器人专用库、IO设备和传感器驱动。实现分成两层：较高的一层用于实现专用机器人库、机器人编程工具和机器人编程语言，为执行层，较低的一层用于特定应用运动控制，为应用层。伺服级从控制的角度划分，包含运动控制层、手臂控制层和电机控制层。运动控制层协调并指挥手臂控制单元和外部扩展轴的电机控制，手臂控制层封装了机器人运动的高级反馈控制功能。然而该研究是以制定标准为目的、大规模、系统的研究项目，较少的考虑如何实现的问题。

发明专利CN106293757A公开了一种机器人系统软件架构及其实现方法和装置，可实现机器人系统软件架构的上、下游子功能模块的命令接收、解析、转发以及任务的动态调度，但这些研究专注于层间通信问题，对于工业机器人控制系统层内组件的划分、功能的设计尚未涉及。因此，有必要进行工业机器人组件化控制系统的软件架构设计，通过将控制系统划分成功能独立的组件，以提高工业机器人控制系统的灵活性、扩展性。

发明内容

要解决的技术问题

为了缩短机器人控制系统的开发周期，提高控制系统的功能灵活性及扩展性，以满足多样化的市场需求，本发明提出一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，通过将工业机器人控制系统划分成功能独立的组件，各个机器人控制器或整机厂商便可快速的根据需求基于现有组件组装的方式进行新产品的开发，使得控制系统的开发过程由传统的全部“从零开始”转变为基于现有通用组件与特有组件的针对性开发及组装过程。

技术方案

一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于：在纵向上将工业机器人控制系统分为展现层、业务层、数据层和通信层四个层级，各层的任务相互独立，下层为上层提供服务并为上层的调用返回结果，下层服务于上层，下层回答上层的服务请求；展现层属于工业机器人控制系统的人机交互界面，负责封装与用户的双向交互、屏蔽具体的交互方式，与业务层通过展现层交互子层进行通信，通信方式采用事件触发机制或时限触发机制；业务层进行工业机器人的业务逻辑处理，与展现层、数据层及通信层均通过接口进行交互；数据层与通信层属于并列关系，为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，仅与业务层进行交互；通信层提供多种通信协议，负责工业机器人控制系统与外部硬件的通信，与业务层通过接口进行交互。

所述的通信协议包括Ethernet、EtherCAT、UDP、TCP/IP。

所述的展现层用于完成用户控制指令的输入及系统状态的显示输出，包括多个图元分区和展现层交互子层；每个图元分区内包含相关的组件，每个组件的功能独立与其他组件间具有松耦合性，可根据功能需求通过组件的搭建、图元的配置完成人机交互界面的开发。

所述的图元分区包括系统显示分区、参数显示分区、系统功能分区、运动参数设置分区、系统参数设置分区、端口分区、运动功能分区、文件操作分区、特殊功能分区。

所述的业务层用于对用户通过展现层的输入或来自外部设备的输入进行业务逻辑处理，同时传递相关信息、数据给其他层次，包括任务规划分区、I/O控制分区、位置控制分区和命令执行分区；任务规划分区由任务分配、任务控制和译码组件组成；I/O控制分区由PLC控制组件、数字量端口输入/输出组件和模拟量端口输入/输出组件组成；运动控制分区由插补组件、运动学正逆解组件、轴控制组件、误差补偿组件和电机轴数据采集组件组成；命令解析分区由报文解析组件、报文编码组件、以太网服务器组件和传感器功能扩展组件组成。

所述的数据层用于为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，由文件目录操作分区、文件流操作分区、文件操作分区和数据库操作分区组成。

所述的通信层提供与外部硬件设备通信的接口，包含通信组件单个组件。

有益效果

本发明提出的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，通过将工业机器人控制系统划分为展现层、业务层、数据层和通信层四个层级，每层包含功能独立的组件，通过组件组装的方式进行整个工业机器人控制系统的开发，提高工业机器人控制系统的开发效率，通过替换现有组件的方式可进行功能扩展，提高工业机器人控制系统的灵活性。

附图说明

图1为工业机器人控制系统的分层架构图。

图2为工业机器人控制系统程序执行流程图

图3为工业机器人控制系统的整体架构图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参阅图1～图3，本发明的软件架构在纵向上将控制系统分为展现层、业务层、数据层及通信层四层，各层的任务相互独立，下层为上层提供服务并为上层的调用返回结果，下层服务于上层，下层回答上层的服务请求。展现层属于工业机器人控制系统的人机交互界面，负责封装与用户的双向交互、屏蔽具体的交互方式，与业务层通过展现层交互子层进行通信，通信方式采用事件触发机制或时限触发机制。业务层进行工业机器人的业务逻辑处理，与展现层、数据层及通信层均通过接口进行交互。数据层与通信层属于并列关系，为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，仅与业务层进行交互。通信层提供多种通信协议，包含Ethernet、EtherCAT、UDP、TCP/IP等，负责工业机器人控制系统与外部硬件的通信，与业务层通过接口进行交互。

进一步地，展现层用于完成用户控制指令的输入及系统状态的显示输出，主要包括系统显示分区、参数显示分区、系统功能分区、运动参数设置分区、系统参数设置分区、端口分区、运动功能分区、文件操作分区、特殊功能分区等图元分区和展现层交互子层组成。每个分区内包含相关的组件，每个组件的功能独立与其他组件间具有松耦合性，可根据功能需求通过组件的搭建、图元的配置完成人机交互界面的开发。

进一步地，业务层用于对用户通过展现层的输入或来自外部设备的输入进行业务逻辑处理，同时传递相关信息、数据给其他层次，主要包括任务规划分区、I/O控制分区、位置控制分区和命令执行分区。任务规划分区由任务分配、任务控制和译码组件组成；I/O控制分区由PLC控制组件、数字量端口输入/输出组件和模拟量端口输入/输出组件组成；运动控制分区由插补组件、运动学正逆解组件、轴控制组件、误差补偿组件和电机轴数据采集等组件组成；命令解析分区由报文解析组件、报文编码组件、以太网服务器组件和传感器功能扩展组件组成。

进一步地，数据层用于为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，由文件目录操作分区、文件流操作分区、文件操作分区和数据库操作分区组成。

进一步地，通信层提供与外部硬件设备通信的接口，包含通信组件单个组件。

当工业机器人执行机器人程序时，机器人运行速度、程序运行模式、末端当前位置及文件内容等信息，通过参数读取组件不断实时刷新并显示到程序运行监视界面上。当操作人员按下程序执行的确认按钮，以事件触发的方式，通知程序译码器对选择的机器人程序文件进行解析，并将结果存放到数据缓存队列中。任务分配组件负责将机器人程序中定义的任务分成逻辑任务及运动任务两类，对于逻辑任务则通过逻辑控制组件对外部I/O端子的状态进行读取与控制，并将急停、限位等任务控制信号返回任务分配组件，因此逻辑控制组件与任务分配组件间为双向交互关系；对于运动任务，任务分配组件首先将译码结果进行转发，通过周期性插补任务组件，计算下个周期沿空间直角坐标系三个坐标轴方向的位移量，然后通过逆运动学变换，计算出机器人各关节轴的转动角度。最后，通过轴控制与通信组件，实现对电机速度指令的下达及电机位置的反馈，进行位置环控制。此外，将通信模块获取的电机编码器位置通过正运动学变换，计算出机器人末端的空间坐标并进行存储，以方便参数获取组件实时刷新机器人位置坐标并显示于人机界面上。

Claims (7)

1.一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于：在纵向上将工业机器人控制系统分为展现层、业务层、数据层和通信层四个层级，各层的任务相互独立，下层为上层提供服务并为上层的调用返回结果，下层服务于上层，下层回答上层的服务请求；展现层属于工业机器人控制系统的人机交互界面，负责封装与用户的双向交互、屏蔽具体的交互方式，与业务层通过展现层交互子层进行通信，通信方式采用事件触发机制或时限触发机制；业务层进行工业机器人的业务逻辑处理，与展现层、数据层及通信层均通过接口进行交互；数据层与通信层属于并列关系，为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，仅与业务层进行交互；通信层提供多种通信协议，负责工业机器人控制系统与外部硬件的通信，与业务层通过接口进行交互。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的通信协议包括Ethernet、EtherCAT、UDP、TCP/IP。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的展现层用于完成用户控制指令的输入及系统状态的显示输出，包括多个图元分区和展现层交互子层；每个图元分区内包含相关的组件，每个组件的功能独立与其他组件间具有松耦合性，可根据功能需求通过组件的搭建、图元的配置完成人机交互界面的开发。

4.根据权利要求2所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的图元分区包括系统显示分区、参数显示分区、系统功能分区、运动参数设置分区、系统参数设置分区、端口分区、运动功能分区、文件操作分区、特殊功能分区。

5.根据权利要求1所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的业务层用于对用户通过展现层的输入或来自外部设备的输入进行业务逻辑处理，同时传递相关信息、数据给其他层次，包括任务规划分区、I/O控制分区、位置控制分区和命令执行分区；任务规划分区由任务分配、任务控制和译码组件组成；I/O控制分区由PLC控制组件、数字量端口输入/输出组件和模拟量端口输入/输出组件组成；运动控制分区由插补组件、运动学正逆解组件、轴控制组件、误差补偿组件和电机轴数据采集组件组成；命令解析分区由报文解析组件、报文编码组件、以太网服务器组件和传感器功能扩展组件组成。

6.根据权利要求1所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的数据层用于为数据库的访问及操作和本地文件的相关操作提供接口，由文件目录操作分区、文件流操作分区、文件操作分区和数据库操作分区组成。

7.根据权利要求1所述的一种工业机器人组件化控制系统的软件架构，其特征在于所述的通信层提供与外部硬件设备通信的接口，包含通信组件单个组件。