CN113459081A - 模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备。所述模块化的机器人控制系统至少包括：按需设置的多个业务模块；其中，各所述业务模块之间根据预先定义的交互关系进行协作，从而控制机器人完成相应的工作内容。本发明的机器人控制系统具有整体上低耦合、高内聚的特性，能根据机器人实际控制需求实现灵活部署，易于扩展，且开发过程无需过多关注硬件的开发和版本迭代。
Description
技术领域
本发明涉及运动控制系统技术领域，特别是涉及模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备。
背景技术
随着自动化技术的发展，关节机器人已经广泛应用于各种自动化生产制造领域，关节机器人能够按照人设定的各种任务自动执行，实现各种任务(物料搬运、码垛、焊接、打磨等)，服务于生产生活。
一个完整的机器人需要机械本体和机器人控制器，机器人控制器主要包括机器人的电气控制系统与软件控制系统。机器人控制器的软件控制系统是根据机器人的特点，采用计算机软件工具，编制相关控制算法和软件，使得机器人能够按照人们的意愿去完成相关的工作，同时并提供良好的交互接口。
机器人控制系统本质上是一种嵌入式工业控制软件系统，所以，机器人控制系统的发展符合软件发展的一些基本趋势。目前软件系统都逐步由早期的集中式设计慢慢转变为分布式设计或者模块化设计。当前机器人厂商的控制系统多采用集中式架构，通过一个中央的运动控制内核，再提供接口的方式给外围用户使用。这种方式核心内容依赖于运动控制内核，外围用户仅能通过固定接口对控制系统进行访问。随着现代软件的发展，本领域亟需提出一种模块化的机器人控制系统架构。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备，用于解决现有技术中机器人控制系统缺少模块化设计的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种模块化的机器人控制系统，包括：按需设置的多个业务模块；其中，各所述业务模块之间根据预先定义的交互关系进行协作，从而控制机器人完成相应的工作内容。
于本发明一实施例中，每个所述业务模块分别包括：线程控制基础设施；每个所述业务模块运行于独立的线程中，每个所述业务模块的线程控制基础设施用于控制线程的特性；请求服务基础设施，用于通过请求服务导入外部资源；提供服务基础设施，用于通过提供服务让其它业务模块能访问当前业务模块的资源；输入数据流基础设施，用于获得其它业务模块输入的数据流；输出数据流基础设施，用于向其它业务模块提供当前业务模块输出的数据流；模块元接口基础设施，用于注册、删除、查询所述请求服务基础设施、所述提供服务基础设施、所述输入数据流基础设施、所述输出数据流基础设施及所述模块参数系统。
于本发明一实施例中，所述机器人控制系统还包括：日志系统，用于记录日志；全局参数系统，用于创建、读写全局参数；数据类型系统，用于创建各个所述业务模块能共享的数据类型。
于本发明一实施例中，各所述业务模块包括设于应用接口层的通讯模块和应用编程接口模块，从而支持通过相应的通讯协议访问所述机器人控制系统的内部资源。
于本发明一实施例中，各所述业务模块包括设于实时系统层的机器人组件控制模块、安全控制模块、基本输入输出控制模块、软PLC控制模块、总线驱动模块。
于本发明一实施例中，若机器人为关节型机器人，则所述机器人控制系统包括与各机器人关节组一一对应的各机器人组件控制模块。
于本发明一实施例中，各所述业务模块包括设于应用层的与各所述机器人关节组一一对应的各相关业务模块组，以及全局设置模块和干涉区域模块；其中，所述全局设置模块，用于设置所述机器人控制系统的全局配置；所述干涉区域模块，用于避免各所述机器人关节组在运动过程中的干涉与碰撞。
于本发明一实施例中，每个所述相关业务模块组分别包括：结构描述算法模块，用以存储各所述机器人关节组的机构特点及其对应的运动算法；程序执行模块，用以按照时序逻辑执行机器人业务；程序信息反馈模块，用以实时反馈程序执行的状态信息；工作模式模块，用以处理各所述机器人关节组的工作模式；工具管理模块，用以处理机器人末端装载工具的配置功能；坐标管理模块，用以处理机器人的坐标系，以及定义各种用户坐标系；用户变量管理模块，用以处理用户自定义的用户参数；关节组状态模块，用以获取并反馈当前机器人关节组的状态。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电子设备，包括所述的模块化的机器人控制系统。
如上所述，本发明的模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备，具有以下有益技术效果：
1、本申请的机器人控制系统的各个业务模块是相对独立的，模块之间通过接口提供相应的操作、服务或者数据。这种模块和接口的设计确保了机器人控制系统整体上低耦合、高内聚的特性。
2、本申请的机器人控制系统可以灵活部署，通过选择业务模块、配置业务模块的接口和数据流的连接关系，以及设定业务模块的加载顺序等，就可以快速搭建机器人控制系统。
3、本申请的机器人控制系统的业务模块易于扩展，如果有新的功能或者需要在原有模块上增加功能，只需要定义好对外的接口后，就可以在本业务模块中开发新的功能，不必考虑其他业务模块的影响。
4、本申请通过设备驱动模块解决硬件层驱动的设计，使得除总线驱动模块(附图2)的其他业务模块不用考虑底层硬件，使得机器人控制系统的开发无需过多关注硬件的开发和版本迭代过程，仅需要通过设备驱动模块即可与硬件进行数据交互。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的机器人控制系统的架构示意图。
图2显示为本发明另一实施例中的机器人控制系统的架构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本申请提供模块化的机器人控制系统，主要包括按需设置的多个业务模块，其中，各所述业务模块之间根据预先定义的交互关系(如脚本script定义的交互关系)进行协作，从而控制机器人完成相应的工作内容。
如图1所示，显示为本发明一实施例中的机器人控制系统的架构示意图。本实施例的机器人控制系统至少包括两个业务模块，即业务模块1和业务模块2。每个业务模块都是一个独立的虚拟单元，用于实现机器人控制系统的一个特定功能，当然，也可以用于实现机器人控制系统的多个特定功能，本领域技术人员可根据实际需求做出调整。
每个业务模块分别包含若干模块基础设施，包括：线程控制、请求服务、提供服务、输入数据流、输出数据流、参数系统等。以下将对每个基础设施的功能做详细介绍。线程控制：每个业务模块运行于独立的线程中，由线程控制基础设施控制线程的特性，例如：线程优先级、采用循环模式还是触发模式，若采用循环模式，则还包括循环周期等。
模块元接口：用于注册、删除、查询下述的请求服务、提供服务、输入数据流、输出数据流、模块参数系统。
请求服务：在当前业务模块需要依赖的其他业务模块的外部服务时，请求服务基础设施通过请求服务来导入外部的资源。
提供服务：在当前业务模块向其他模块提供资源时，提供服务基础设施通过提供服务，让其他模块可以访问当前业务模块的资源。
在图1中，业务模块1的提供服务和业务模块2的请求服务可以实现模块间的服务互联。
一业务模块提供给其他业务模块的方法称为操作，需要其他业务模块提供的方法称为服务，需要与其他业务模块共享的数据称为数据流。业务模块的数据交互通过不同业务模块之间的方法和数据实现。
上述的提供、请求服务方式，为机器人控制系统提供了接口标准化的资源访问方式。上述资源可以通过模块元接口注册、删除、查询。输入数据流：用于获得其他模块输入的数据流，用于模块之间数据交互。
输出数据流：用于提供当前业务模块输出的数据流，通常是当前业务模块产生的各种过程数据。
上述的输入、输出数据流方式，为机器人控制系统提供了明确的数据传递方式。上述传递数据可以通过模块元接口注册、删除、查询。
上述服务和数据流架构确保了业务模块间的信息交互，是机器人控制系统实现模块化设计的核心和关键技术。
进一步地，在一实施例中，业务模块还包括模块参数系统，用于设置业务模块的各种配置，保存业务模块内部的配置运行参数。上述参数可以通过模块元接口注册、删除、查询。
除此之外，机器人控制系统还提供了全局参数系统、数据类型系统、日志系统等统一的基础架构服务，所有的业务模块均可使用这些服务：
全局参数系统：用于创建、读写全局参数的基础架构。
数据类型系统：用于创建各个业务模块可以共享的各种数据类型。
日志系统：用于记录日志数据。
需要说明的是，图1所示的实施例仅以两个业务模块为例，本发明在实际应用中可具有多个业务模块，应根据机器人所需完成的工作内容进行相应设计。
如图2所示，显示为本发明另一实施例中的机器人控制系统的架构示意图，描述了机器人控制系统业务模块的层次划分和具体业务实现。具体的，本实施例中机器人控制系统模块化分成三个层级：实时系统层、应用层、应用接口层。
实时系统层包括如下模块：
机器人组件控制模块，以一关节型机器人具有两个关节组为例，机器人组件控制模块可具体包括：关节组1运动控制模块，用于机器人关节组1的运动控制，如执行关节组1的直线、圆弧等运动控制；关节组2运动控制模块，用于机器人关节组2的运动控制，如执行关节组2的直线、圆弧等运动控制。
基本输入输出控制模块，用于控制机器人控制系统的各种输入输出信号。
安全控制模块，用于监控机器人控制系统底层安全性、确保系统功能安全。
软PLC控制模块，用于处理机器人控制系统内置软件PLC的相关控制功能。
需要说明的是，机器人控制器通常需要包括安全控制器和可编程逻辑控制器，目前工业机器人多采用硬件安全控制器和硬件可编程逻辑控制，放置在机器人控制器电气柜中，并与机器人控制系统通过电缆(总线)进行数据通讯。本发明中所述的机器人控制系统通过软件模块实现软件安全控制器和软件可编程逻辑控制(PLC)，分别采用独立的线程控制，确保该安全控制器业务和其他业务的独立运行。软件安全控制器模块按照ISO13850、ISO13849、ISO12100、ISO10218-1、ISO10218-2等标准设计。软件可编程逻辑控制按照IEC61131等标准设计。上述两部分(安全控制、软PLC)采用软件模块设计，可以降低硬件成本，以及相应的安装、维护成本。
总线驱动模块，用于处理现场总线的控制，一般地，机器人控制系统和伺服电机、IO等工业现场设备均基于工业现场总线连接。
应用层包括如下模块：
与各所述机器人关节组一一对应的各相关业务模块组，以及全局设置模块和干涉区域模块；其中，
全局设置模块，用于设置所述机器人控制系统的全局配置，例如：应用层接口类型、网络配置等。
干涉区域模块，用于检测、预防、避免各所述机器人关节组在运动过程中的干涉与碰撞。
与一业务模块对应的一相关业务模块组具体包括如下模块：
程序执行模块，用于按照时序逻辑执行机器人业务。
程序信息反馈模块，用于实时反馈程序执行的状态信息。
工作模式模块，用于处理关节组的工作模式，工作模式通常包括示教、再现、远程等。
工具管理模块，用于处理机器人末端装载工具的配置功能等。
坐标管理模块，用于处理机器人的坐标系，以及定义各种用户坐标系。
用户变量管理模块，用于处理用户自定义的用户参数。
关节组状态模块，用于获取并反馈当前关节组的状态，例如：关节是否运动、是否发生逻辑错误等。
结构描述算法模块，用于存储机器人各关节组的机构特点，以及对应于该机构的运动学、动力学相关算法。
需要说明的是，本申请的机器人控制系统的业务模块是可重复使用的。如图2中与关节组1对应的相关业务模块组1和与关节组2对应的相关业务模块组2中均包括若干相同内容的业务模块，这些业务模块均为同一实现，只需要按照命名空间进行部署，就可以实现两个(或者更多的)业务模块实例。通过这种方式，可以实现机器人多通道控制功能，也即一个机器人控制系统同时控制多个机器人。
应用接口层包括如下模块：
应用编程接口模块：该模块是人机界面程序或者第三方应用程序访问控制系统资源的接口模块业务实现。
通讯模块，具体可分为：ROS通讯模块：基于ROS(Robot Operating System，即机器人操作系统开源平台)的通讯代理模块；OpcUa通讯模块：基于OpcUa(一种工业物联网协议)的通讯代理模块；WAMP通讯模块：基于WAMP协议(一种WEB传输协议)的通讯代理模块。而且，随着技术发展和需求变化，后续可以添加基于其他协议的通讯代理模块。
需要说明的是，本申请的机器人控制系统支持多种协议的统一应用编程接口，如图2所示，应用编程接口模块提供机器人应用编程的全部接口和数据流等，在实际应用中，外部程序对机器人控制系统的接口和数据访问是通过各种协议进行的，利用模块服务和数据流的查询机制，在每个协议模块中(ROS通讯模块、OpcUa通讯模块、WAMP通讯模块)可以自动生成对应的协议接口。这种机制使得当在应用编程接口模块中添加一个新的接口后，我们无需对上述三种以及后续可能添加的通讯模块做任何修改，通讯模块会自动发现新添加的接口，并且自动生成对应的协议接口。
本领域技术人员应当理解，图2实施例中的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个或多个物理实体上。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，如以程序代码的形式存储于存储器中，由某一个处理元件调用并执行该模块的功能。
最后，本申请还提供一种搭载有前述实施例介绍的机器人控制系统的电子设备，通常为工业用嵌入式计算机。由于本实施例的具体实施方式与前述实施例的原理相同，故于此不再重复赘述。
综上所述，本发明的模块化的机器人控制系统及包括该系统的电子设备，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种模块化的机器人控制系统，其特征在于，包括：
按需设置的多个业务模块；其中，各所述业务模块之间根据预先定义的交互关系进行协作，从而控制机器人完成相应的工作内容。
2.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，每个所述业务模块分别包括：
线程控制基础设施；每个所述业务模块运行于独立的线程中，每个所述业务模块的线程控制基础设施用于控制线程的特性；
请求服务基础设施，用于通过请求服务导入外部资源；
提供服务基础设施，用于通过提供服务让其它业务模块能访问当前业务模块的资源；
输入数据流基础设施，用于获得其它业务模块输入的数据流；
输出数据流基础设施，用于向其它业务模块提供当前业务模块输出的数据流；
模块参数系统，用于保存业务模块内部的配置运行参数；
模块元接口基础设施，用于注册、删除、查询所述请求服务基础设施、所述提供服务基础设施、所述输入数据流基础设施、所述输出数据流基础设施及所述模块参数系统。
3.根据权利要求2所述的机器人控制系统，其特征在于，还包括：
日志系统，用于记录日志；
全局参数系统，用于创建、读写全局参数；
数据类型系统，用于创建各个所述业务模块能共享的数据类型。
4.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，各所述业务模块包括设于应用接口层的通讯模块和应用编程接口模块，从而支持通过相应的通讯协议访问所述机器人控制系统的内部资源。
5.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，各所述业务模块包括设于实时系统层的机器人组件控制模块、安全控制模块、基本输入输出控制模块、软PLC控制模块、总线驱动模块。
6.根据权利要求5所述的机器人控制系统，其特征在于，若机器人为关节型机器人，则所述机器人控制系统包括与各机器人关节组一一对应的各机器人组件控制模块。
7.根据权利要求6所述的机器人控制系统，其特征在于，各所述业务模块包括设于应用层的与各所述机器人关节组一一对应的各相关业务模块组，以及全局设置模块和干涉区域模块；其中，
所述全局设置模块，用于设置所述机器人控制系统的全局配置；
所述干涉区域模块，用于避免各所述机器人关节组在运动过程中的干涉与碰撞。
8.根据权利要求7所述的机器人控制系统，其特征在于，每个所述相关业务模块组分别包括：
结构描述算法模块，用以存储各所述机器人关节组的机构特点及其对应的运动算法；
程序执行模块，用以按照时序逻辑执行机器人业务；
程序信息反馈模块，用以实时反馈程序执行的状态信息；
工作模式模块，用以处理各所述机器人关节组的工作模式；
工具管理模块，用以处理机器人末端装载工具的配置功能；
坐标管理模块，用以处理机器人的坐标系，以及定义各种用户坐标系；
用户变量管理模块，用以处理用户自定义的用户参数；
关节组状态模块，用以获取并反馈当前机器人关节组的状态。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一所述的模块化的机器人控制系统。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211001 |