CN113848841A - 工业机器人分布式控制系统中间件框架 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人分布式控制系统中间件框架，整体框架位于物理层与操作系统之上，应用层之下，包括抽象层、组件层、设备管理层和服务层，所述抽象层分别与物理层、组件层相连，组件层与设备管理层相连，设备管理层分别与服务层、应用层相连，服务层与应用层相连。采用本发明的中间件框架，工业机器人业务场景应用开发人员能够方便地实现不同厂家机器人在同一场景的业务开发、协同控制、监控管理。

Description

工业机器人分布式控制系统中间件框架

技术领域

本发明涉及中间件框架，具体是涉及一种工业机器人分布式控制系统中间件框架。

背景技术

随着机器人制造成本的降低，机器人应用逐渐渗透到工厂的各个加工生产环节，而机器人本体、控制器与开发软件一般由各厂商自主设计研发，各厂商机器人在不同灵活复杂的场景中有自己独特的优势，因此，在复杂生产场景中，工厂常购买多个品牌的机器人协作来满足业务的需求。工业机器人、PLC控制系统、现场检测装置等构成了一个复杂的智能空间环境，控制器、开发软件、网络协议以及业务场景的多样化使工业机器人智能空间具有异构、动态、复杂的特点。

中间件是分布式环境下设备系统与上层用户应用程序之间的软件系统，通过中间件技术屏蔽设备的异构性和环境的复杂性，使程序开发员或操作员专注于业务实现。但是由于工业机器人智能空间具有机器人设备的异构性、通信实时性要求、网络协议差异性等特点，目前国内外还没有能满足复杂场景工业机器人异构设备实时协作需求的成熟中间件技术设计方案，已有的机器人中间件架构局限于机器人控制系统本身，而机器人系统与工业现场的其他分布式异构设备，在部件复用、交互协同、系统维护等方面仍存在诸多问题。设备与具体应用耦合度高，现场异构硬件设备间的通信方式不同，数据交互的实时性难以保证，且缺乏统一监控和管理现场设备导致系统维护难度大，不能根据各设备的任务优先级调整资源分配，系统性能难以达到最优。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种工业机器人分布式控制系统中间件框架，工业机器人业务场景应用开发人员能够方便地实现不同厂家机器人在同一场景的业务开发、协同控制、监控管理。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种工业机器人分布式控制系统中间件框架，整体框架位于物理层与操作系统之上，应用层之下，包括抽象层、组件层、设备管理层和服务层，所述抽象层分别与物理层、组件层相连，组件层与设备管理层相连，设备管理层分别与服务层、应用层相连，服务层与应用层相连。

进一步，所述服务层包括机器人中间件控制系统服务总线，机器人中间件控制系统服务总线对设备管理层提供服务注册接口，对应用层提供分布式环境下的服务发现、服务查找、服务路由、调度管理功能。

进一步，所述抽象层负责对物理层设备进行功能抽象及数据抽象，对组件层提供标准化功能接口定义和标准化数据格式定义。

进一步，所述抽象层负责按设备类型采用元数据的形式对物理层设备即底层异构设备进行抽象描述，定义统一的功能接口和数据类型；为底层异构设备与上层应用的通信数据制定统一的数据格式。

进一步，所述组件层用于根据抽象层提供的定义进行组件功能的封装。

进一步，所述组件层包含本地设备功能组件、本地其他功能组件和数据管理组件，所述本地设备功能组件是根据底层机器人功能所开发的符合标准化功能接口定义的组件，所述本地其他功能组件为工业机器人应用场景中算法组件、通用组件、第三方功能库封装的组件；所述数据管理组件是机器人中间件控制系统在数据传输过程中所需要的格式规范化功能组件，用于将传输信息统一为标准数据格式。

进一步，所述设备管理层由多个节点控制站构成，每个节点控制站以客户端形式部署在分布式节点上，每个节点控制站控制与其相连的底层设备。

进一步，所述节点控制站包括节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、日志管理系统、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块和服务调用模块；服务化模块与服务调用模块相连，服务调用模块与组件调用模块相连，组件调用模块、组件注册模块均与组件管理模块相连，组件管理模块、节点监控模块、设备监控模块、协议适配模块均与节点通信模块相连，节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块、服务调用模块均与日志管理系统相连。

进一步，所述节点通信模块实现节点间通信；所述协议适配模块实现协议转换，对节点通信模块的信息通信提供统一的通信接口，屏蔽不同设备间的异构网络；所述组件注册模块提供组件注册接口，将组件层封装的组件加载到节点控制站中运行；所述设备监控模块解析数据管理组件传回的数据文件获取设备实时信息，实现本地设备的统一监控；所述节点监控模块收集本地设备状态、本地组件接口、节点网路流量、CPU和内存资源使用情况状态信息，然后通过节点通信模块进行发布，同时接收局域网或广域网下其他节点发布的状态信息，实时监控分布式节点设备的状态；所述日志管理系统管理本地节点控制站内部的日志数据；所述组件管理模块维护组件注册中心成功注册的本地组件列表，统一管理本地组件；所述组件调用模块接收客户端或服务调用模块发出的组件调用请求，对输入参数的数据格式进行核验，同时查询组件管理模块中注册组件的有效性，验证通过后调用对应功能组件，组件执行完毕后将输出结果发给客户端或服务调用模块；输入参数格式有误或组件无效则返回错误提示；所述服务化模块提供用于远程调用的服务化模块，根据组件管理模块提供的组件功能接口，封装为对应的服务接口；所述服务调用模块接收机器人中间件控制系统服务总线发出的服务请求，解析服务接口得到相应组件接口信息，向组件调用模块发起组件调用的请求，将组件调用模块的返回值传递给服务输出接口并发送给机器人中间件控制系统服务总线；所述节点通信模块实现节点间通信。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

采用本发明的中间件框架，工业机器人业务场景应用开发人员能够方便地实现不同厂家机器人在同一场景的业务开发、协同控制、监控管理。

附图说明

图1是本发明实施例工业机器人分布式控制系统中间件框架的结构示意图。

图2是图1所示实施例中间件框架的应用示意图。

图3是图1所示实施例的抽象层设备功能抽象及数据抽象的流程图。

图4是图1所示实施例的组件层开发设计流程图。

图5是图1所示实施例的设备管理层组成单元节点控制站的设计图。

图6是图1所示实施例的应用层操作人员组件调用方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的在于借鉴成熟的工业集散控制系统(DCS)理念，结合SOA架构，面向工业机器人在复杂工业生产环境中的车间级或全厂级生产控制需求，提出一种开放式工业机器人分布式控制系统(RDCS)中间件框架。基于RDCS中间件架构，本发明以分布式节点控制站作为中间件容器，工业机器人业务场景应用开发者通过节点控制站调用组件开发应用，使工业机器人应用程序的开发与底层不同厂家的机器人硬件及操作系统平台无关，屏蔽底层设备异构性；节点控制站集成协议适配模块，提供通用的通信接口进行节点内、节点间及节点外通信；建立分布式节点设备监控中心，监控系统内所有设备状态，方便系统维护和故障排查。

参照图1、图2，本实施例工业机器人分布式控制系统间件框架，整体框架位于物理层与操作系统之上，应用层之下，包括抽象层、组件层、设备管理层和服务层。抽象层分别与物理层、组件层相连，组件层与设备管理层相连，设备管理层分别与服务层、应用层相连，服务层与应用层相连。

物理层由真实机器人设备及工业现场智能设备组成，不同品牌、类型、型号设备具有不同组成结构、编程方法、操作方法，设备间通信方式大多由现场总线、IO进行简单交互。为屏蔽底层设备操作和通信异构，形成通用中间件，抽象层需要对物理层设备的功能、数据等信息进行抽象和标准化。

抽象层负责对物理层设备进行功能抽象及数据抽象，对组件层提供标准化功能接口定义和标准化数据格式定义。具体为：负责按设备类型采用元数据的形式对物理层设备即底层异构设备进行抽象描述，定义统一的功能接口和数据类型；为底层异构设备与上层应用的通信数据制定统一的数据格式，简单高效地管理大量网络数据。

组件层根据抽象层提供的定义进行组件功能的封装，同时支持符合给定标准的第三方组件的注入。组件层包含本地设备功能组件、本地其他功能组件和数据管理组件等。其中本地设备功能组件是根据底层机器人功能所开发的符合标准化功能接口定义的组件。底层设备按基础功能、特种功能、扩展功能分解后形成原子功能，组件层对各原子功能提供具体实现，通过功能验证后根据抽象层定义的功能接口封装为本地设备功能组件。本地其他功能组件为工业机器人应用场景中算法组件(路径规划、目标识别等)、通用组件(状态检测、故障诊断等)、第三方功能库(数据序列化等)等封装的组件。数据管理组件是机器人中间件控制系统在数据传输过程中所需要的格式规范化功能组件，用于将传输信息统一为标准数据格式。数据管理组件按照抽象层制定的数据格式将各设备通信数据统一为标准数据格式，生成XML、JSON或YAML等多种数据格式文件。

设备管理层由多个节点控制站构成，每个节点控制站以客户端形式部署在分布式节点如Windows、Linux或其他操作系统上，每个节点控制站控制与其相连的底层设备。节点控制站主要由节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、日志管理系统、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块和服务调用模块组成。服务化模块与服务调用模块相连，服务调用模块与组件调用模块相连，组件调用模块、组件注册模块均与组件管理模块相连，组件管理模块、节点监控模块、设备监控模块、协议适配模块均与节点通信模块相连，节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块、服务调用模块均与日志管理系统相连。同时，设备管理层支持开发人员进行额外功能模块扩展，包括且不限于设备交互管理模块、本地调试模块，使中间件框架具有高扩展、灵活易用的特性。

服务层的机器人中间件控制系统服务总线对设备管理层的各节点提供服务注册接口，对应用层提供分布式环境下可靠的服务发现、服务查找、服务路由、调度管理等功能，采用多种集群方式对服务总线进行去中心化管理，提供负载均衡和高可靠性。例如通过Zookeeper的一致性服务，管理多个RDCS服务总线运行节点，在多个节点间自动同步运行状态，并通过选举机制，自动在这些节点中间指定一个运行正常的节点提供注册、查找、路由等服务总线功能。

参照图3，抽象层中，设备功能抽象及数据抽象流程如下：

第一步：功能抽象。设计人员首先就市场中各品牌、各种类机器人和其他现场分布式设备进行调研，按设备类型对其进行抽象描述，对移动操作、数据通信操作、IO操作等功能进行枚举，根据各操作所需参数定义相应标准接口。接口标准定义形式随编程语言有所不同，机器人及其他智能设备只要支持相应的封装即可。

第二步：数据抽象。机器人中间件需要打通底层设备与上层应用的数据交互通道，针对多种机器人的数据格式不同，对具有相同或相似含义的数据对象进行抽象。数据抽象的过程是对不同设备适配的过程，首先根据调研和业务场景按照状态数据、操作数据、参数数据等分类制定格式统一、意义明确的数据格式，采用元数据形式对数据进行标准化整理。元数据是一种描述数据的数据，可以为数据说明其元素或属性(名称、大小、数据类型等)，或结构(长度、字段等)，其使用目的在于：实现简单高效地管理大量网络化数据；实现信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效管理，元数据使信息的描述和分类可以实现格式化，从而为机器处理创造了可能。其次依托多种数据传输文本格式(XML、JSON等)，制定诸如XSD等数据传输格式约束及校验文件，并在组件层进行打包。

参照图4，组件层的开发设计流程按以下步骤：

第一步：针对机器人设备功能组件开发，需参照抽象层提供的标准功能接口定义，定义包括输入输出参数格式、输入输出参数个数等，功能具体实现不做限定，对外暴露组件接口，屏蔽内在实现。针对第三方功能组件，提供可扩展功能接口定义，组件开发者应根据分布式控制系统所支持编程语言并参考可扩展功能接口定义进行实现，若所开发功能不在可扩展接口定义之中，需提交相应接口设计文档并由设计人员整合入可扩展功能接口定义之中。针对数据管理相关组件，组件开发者首先根据抽象层提供的数据元数据规范确定所传输数据的具体格式，包括数据类型、数据长度等。其次组件开发者数据传输及解析需求，设计XML、JSON等格式的数据生成组件，其格式需满足抽象层所提供的约束，确保上下层解析能正常进行。

第二步：对实际开发组件功能进行验证，符合抽象层所给定的接口、符合所给数据格式的组件保留，未实现实际功能或实际组件接口不符合的摒除。验证可分为两步操作：首先对于由多个功能组成的单个组件，针对单个功能进行原子级功能测试及格式验证；然后对组件包整体功能及数据格式进行测试。

第三步：符合第二步验证的组件称为有效组件，有效组件需要进行打包才能在设备管理层中的组件注册中心进行注册。开发人员可根据实际需求以动态库、插件、静态库等多种形式进行打包，设备管理层提供的组件注册接口针对打包类型提供多种调用方法，使该中间件分布式管理系统支持组件的热拔插管理，提供高扩展和高可靠性。

参照图5，设备管理层中，各个模块的具体功能如下：

节点通信模块实现节点间通信。节点通信模块包含节点内通信模块和节点间通信模块。节点间通信模块建立节点间的消息通道，根据实际任务自动切换协议适配模块提供的通信接口，将消息传递到不同的网络中，满足局域网和广域网下不同业务对强实时、弱实时和非实时的需求。具体实现包括但不限于分布式DDS(Data Distribution Service)，请求响应式Webservice。节点内通信模块用于不同组件间数据传输，具体方式包括但不限于线程间通信、进程间通信。设计过程中根据需求进行与功能相适应的通信功能，在业务过程中实现无缝切换。

由于分布式设备间网络通信协议存在多样性和不同业务对实时性的需求不同，因此在协议适配模块内部实现协议转换，对节点通信模块的信息通信提供统一的通信接口，屏蔽不同设备间的异构网络。

组件注册模块提供组件注册接口，将组件层封装的组件加载到节点控制站中运行，该接口通过加载设备组件描述文件，利用设备组件描述文件解析组件具体封包形式，将自动适配动态库、插件、静态库等多种形式的组件，同时对组件接口和组件相关依赖进行检查，将接口不符合规范或缺少依赖包等错误报告写入日志。注册成功的组件保存于组件管理模块维护的表中。

节点控制站用于监控在本节点加载的设备，本地设备信息分为静态信息和动态信息，静态信息包括但不限于机器人型号、名称、IP地址等，动态信息包括但不限于机器人速度、坐标、轴位信息。信息按照抽象层定义的数据格式，通过组件层的数据管理组件将设备的实时状态信息写入XML、JSON等数据文件，设备监控模块解析数据管理组件传回的数据文件获取设备实时信息，实现本地设备的统一监控。

节点监控模块收集本地设备状态、本地组件接口、节点网路流量、CPU和内存资源使用情况等状态信息，然后通过节点通信模块进行发布，同时接收局域网或广域网下其他节点发布的状态信息，实时监控分布式节点设备的状态。

日志管理系统管理本地节点控制站内部的日志数据。包括管理系统日志、组件日志、安全日志、网络日志等，管理员通过查看日志来检查错误发生的原因，利用日志审计功能审计重要更改检测数据盗窃、识别攻击等，进行高效的日志管理。

组件管理模块维护组件注册中心成功注册的本地组件列表，统一管理本地组件，包括监控、在线升级、删除等操作。对应用层和服务化模块提供组件功能接口，对外以图形化方式显示，供操作人员查询本地组件的输入、输出参数的参数个数和数据类型等。

组件调用模块接收客户端或服务调用模块发出的组件调用请求，对输入参数的数据格式进行核验，同时查询组件管理模块中注册组件的有效性，验证通过后调用对应功能组件，组件执行完毕后将输出结果发给客户端或服务调用模块；输入参数格式有误或组件无效则返回错误提示。

服务化模块考虑到远程调用需求，提供用于远程调用的服务化模块，根据组件管理模块提供的组件功能接口，封装为对应的服务接口，提供的封装类型包括但不限于WebService。服务化后的组件注册到服务层机器人中间件控制系统服务总线，具体调用方式依据上层总线具体实现。

服务调用模块接收机器人中间件控制系统服务总线发出的服务请求，解析服务接口得到相应组件接口信息，向组件调用模块发起组件调用的请求，将组件调用模块的返回值传递给服务输出接口并发送给机器人中间件控制系统服务总线。

节点间通过节点通信模块进行通信，通信方式根据实际场景的实时性需求进行切换，节点与底层设备之间提供通过组件形式的通信和基于节点通信模块的通信。物理位置上各节点控制站支持本地内网分布式也支持外网分布式，通信网络由实际业务和节点通信模块决定。

本发明以分布式节点控制站作为中间件容器，以软件实体的形式部署在节点之上，提供易用性强、高可靠、高可扩展的分布式控制管理功能。节点控制站提供设备组件注册接口，支持对组件进行动态加载与卸载；同时提供用于监控底层设备状态的设备监控模块及监控本地节点状态的节点监控模块，节点控制站内置协议适配模块完成协议转换，为不同设备间通信提供统一通信接口，可根据实际场景非实时、弱实时或强实时的不同实时性要求进行通信接口切换，满足业务需求；节点向外发布本地组件运行状态、本地节点网络流量、设备CPU和内存资源状态等信息，节点监控模块通过节点间通信实时监控分布式环境中所有节点控制站的状态信息，获取现场设备的运行状态和资源利用情况等信息。设备管理层对应用层操作人员提供直接调用本地组件及模块功能接口，同时支持将组件注册到服务总线，以服务的形式进行远程调用。

如图6为应用层操作人员两种组件调用方式的流程图，本地调用和远程服务调用。操作人员可以在本地节点控制站中查询本地组件功能接口，在服务总线查询服务接口，按照组件或服务给定的输入输出参数的个数和数据类型编写客户端代码进行调用，无需关注底层设备和网络的异构性，同时提高软件复用率，快速实现具体业务。

本发明采用元数据对底层设备进行抽象，屏蔽底层不同厂商的机器人设备和现场其他分布式设备的异构性；以原子组件或服务的形式向应用层提供调用接口，提高软件的重用性和开发效率；协议适配模块解决异构设备间通信网络协议的差异性，满足不同任务的多种实时性要求；提出一种易用性强、高可靠、高可扩展的节点控制站容器设计方案，统一下层设备及组件的支持接口，集成高内聚低耦合的控制站管理模块，支持多种服务调度模式，系统的开放性高，便于新业务场景开发和系统维护。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：整体框架位于物理层与操作系统之上，应用层之下，包括抽象层、组件层、设备管理层和服务层，所述抽象层分别与物理层、组件层相连，组件层与设备管理层相连，设备管理层分别与服务层、应用层相连，服务层与应用层相连。

2.如权利要求1所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述服务层包括机器人中间件控制系统服务总线，机器人中间件控制系统服务总线对设备管理层提供服务注册接口，对应用层提供分布式环境下的服务发现、服务查找、服务路由、调度管理功能。

3.如权利要求1所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述抽象层负责对物理层设备进行功能抽象及数据抽象，对组件层提供标准化功能接口定义和标准化数据格式定义。

4.如权利要求3所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述抽象层负责按设备类型采用元数据的形式对物理层设备即底层异构设备进行抽象描述，定义统一的功能接口和数据类型；为底层异构设备与上层应用的通信数据制定统一的数据格式。

5.如权利要求4所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述组件层用于根据抽象层提供的定义进行组件功能的封装。

6.如权利要求5所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述组件层包含本地设备功能组件、本地其他功能组件和数据管理组件，所述本地设备功能组件是根据底层机器人功能所开发的符合标准化功能接口定义的组件，所述本地其他功能组件为工业机器人应用场景中算法组件、通用组件、第三方功能库封装的组件；所述数据管理组件是机器人中间件控制系统在数据传输过程中所需要的格式规范化功能组件，用于将传输信息统一为标准数据格式。

7.如权利要求2所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述设备管理层由多个节点控制站构成，每个节点控制站以客户端形式部署在分布式节点上，每个节点控制站控制与其相连的底层设备。

8.如权利要求7所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述节点控制站包括节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、日志管理系统、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块和服务调用模块；服务化模块与服务调用模块相连，服务调用模块与组件调用模块相连，组件调用模块、组件注册模块均与组件管理模块相连，组件管理模块、节点监控模块、设备监控模块、协议适配模块均与节点通信模块相连，节点通信模块、协议适配模块、组件注册模块、设备监控模块、节点监控模块、组件管理模块、组件调用模块、服务化模块、服务调用模块均与日志管理系统相连。

9.如权利要求8所述的工业机器人分布式控制系统中间件框架，其特征在于：所述节点通信模块实现节点间通信；所述协议适配模块实现协议转换，对节点通信模块的信息通信提供统一的通信接口，屏蔽不同设备间的异构网络；所述组件注册模块提供组件注册接口，将组件层封装的组件加载到节点控制站中运行；所述设备监控模块解析数据管理组件传回的数据文件获取设备实时信息，实现本地设备的统一监控；所述节点监控模块收集本地设备状态、本地组件接口、节点网路流量、CPU和内存资源使用情况状态信息，然后通过节点通信模块进行发布，同时接收局域网或广域网下其他节点发布的状态信息，实时监控分布式节点设备的状态；所述日志管理系统管理本地节点控制站内部的日志数据；所述组件管理模块维护组件注册中心成功注册的本地组件列表，统一管理本地组件；所述组件调用模块接收客户端或服务调用模块发出的组件调用请求，对输入参数的数据格式进行核验，同时查询组件管理模块中注册组件的有效性，验证通过后调用对应功能组件，组件执行完毕后将输出结果发给客户端或服务调用模块；输入参数格式有误或组件无效则返回错误提示；所述服务化模块提供用于远程调用的服务化模块，根据组件管理模块提供的组件功能接口，封装为对应的服务接口；所述服务调用模块接收机器人中间件控制系统服务总线发出的服务请求，解析服务接口得到相应组件接口信息，向组件调用模块发起组件调用的请求，将组件调用模块的返回值传递给服务输出接口并发送给机器人中间件控制系统服务总线；所述节点通信模块实现节点间通信。

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