CN114505853B - 一种工业机器人的远程分层管控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工业机器人的远程分层管控方法和系统，采用分层结构实现远程管控系统，使之包括应用层、运动规划层、通讯层和机器人硬件层，大大降低系统设计耦合度、并保证软件设计的规范性，具备良好的人机交互能力，可实现对复杂生产环境下机器人的灵活操作和监控，且应用层提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，只需要采用一种编程界面就能实现对各种品牌型号的工业机器人进行二次开发及相应的控制，其中离线操作可以实现在任意时间、任意状态下，快速变更机器人的控制逻辑，逻辑组态编程使用户无需具有编程基础也能利用图形化组态方式快速调整机器人动作，操作过程简单，工作效率高。

Description

一种工业机器人的远程分层管控方法及系统

技术领域

本发明涉及工业机器人运动控制技术领域，特别涉及一种工业机器人的远程分层管控方法及系统。

背景技术

机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越来越关注机器人在复杂、危险、恶劣环境中的应用，而现有机器人又不能很好的应对多变的环境，因而如何使机器人能够灵活、智能的为人类服务，已成为现在机器人研究领域的焦点问题。国际上，关于如何更好地应用机器人技术以适应制造业智能化生产的需求，从机器人的独立运作转变为机器人的远程控制，乃至与其他工业过程控制、离散控制的融合已经成为了一种研究趋势。

随着现代化工业生产的发展和进步，多变的工作环境和功能需求,也对机器人及其控制体系提出了更高的要求。基于Internet的远程控制机器人系统是传统的机器人控制技术与先进的网络通讯技术的结合。它可以被应用于危险环境下的远程作业、远程医疗、远程教学、远程监护以及远程制造等众多方面，具有广阔的应用前景。因此，基于Internet的远程控制机器人系统的研究也已成为当今机器人应用工程领域中的热点之一。

但是目前机器人远程管控，难以应对多变的生产环境下对工业机器人高要求管控，且其控制组态开发环境不可复用和不可重构，导致开发工用具有较高的复杂度和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种工业机器人的远程分层管控方法及系统，以实现多变的生产环境下对工业机器人高要求管控，并提供可复用、可重构的控制组态开发环境，使其开发的复杂度和成本降到最低程度。

第一方面，本发明提供了一种工业机器人的远程分层管控方法，包括：

S1、通过应用层加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网加载到运动规划层中，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

S2、所述运动规划层加载图形化程序后，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；

若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；

若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；

S3、在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；

S4、所述通讯层按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

S5、机器人硬件层通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层；

S6、在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，所述运动规划层调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示。

第二方面，本发明提供了一种工业机器人的远程分层管控系统，所述机器人远程管控系统以分层结构方式实现，包括：

应用层，用于加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网进行发送，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

运动规划层，用于通过以太网加载图形化程序，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；并在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，还调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示；

通讯层，按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

机器人硬件层，通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明采用分层结构实现远程管控系统，大大降低系统设计耦合度、并保证软件设计的规范性，具备良好的人机交互能力，可实现对复杂生产环境下机器人的灵活操作和监控，具备互联网管控环境的能力，可适应远程管控的需求；且应用层提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，只需要采用一种编程界面就能实现对各种品牌型号的工业机器人进行二次开发及相应的控制，其中离线操作可以实现在任意时间、任意状态下，快速变更机器人的控制逻辑，逻辑组态编程使用户无需具有编程基础也能利用图形化组态方式快速调整机器人动作，操作过程简单，工作效率高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明系统的框架示意图；

图2为本发明实施例一中方法中的流程图；

图3为本发明实施例二中系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种工业机器人的远程分层管控方法及系统，以实现多变的生产环境下对工业机器人高要求管控，并提供可复用、可重构的控制组态开发环境，使其开发的复杂度和成本降到最低程度。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：本发明采用分层结构实现远程管控系统，系统分为应用层(编程环境)、运动规划层(位于系统运行环境)、通讯层与机器人硬件层；其中应用层与运动规划层之间通过以太网通信，运动规划层作为整个控制平台的核心负责数据驱动、计算以及实时数据存取等；整个软件系统包括图形化控制策略编程、人机界面、运动学求解与规划、网络接口、伺服控制、状态反馈等功能模块。分层结构可以大大降低系统设计耦合度、并保证软件设计的规范性，具备良好的人机交互能力，可实现对复杂生产环境下机器人的灵活操作和监控，具备互联网管控环境的能力，可适应远程管控的需求；且应用层提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，只需要采用一种编程界面就能实现对各种品牌型号的工业机器人进行二次开发及相应的控制，其中离线操作可以实现在任意时间、任意状态下，快速变更机器人的控制逻辑，逻辑组态编程使用户无需具有编程基础也能利用图形化组态方式快速调整机器人动作，操作过程简单，工作效率高。

在介绍具体实施例之前，先介绍本申请实施例方法所对应的系统框架，如图1所示，系统大概分几个部分：

操作员站，位于应用层，提供可复用、可重构的控制组态开发环境。通过加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，得到图形化程序，并可对现有的图形化程序进行二次开发。且图形化编辑界面上的图形化程序只是进行简单逻辑拓扑结构的解析与元件参数的设置，用户无需具有编程基础也能利用图形化组态方式快速调整机器人动作。

工程师站，位于应用层，具有人机界面，用于显示工业机器人反馈的各种运行状态。

QNX控制站，位于运动规划层，通过以太网加载应用层的图形化程序，并转换成机器人可以识别的控制数据，其核心是QNX操作系统的数据引擎，数据引擎是实现数据处理的计算模块；负责接收应用层的图形化程序，将每个元件所携带的数据存储在相应的数据区，通过相应的处理机制调用每个元件的底层接口函数，正确执行每个元件的功能。通过数据引擎实现了对机器人进行运动轨迹规划以及进行运动学的计算以及全局任务的调度。

通信接口模块，位于通信层，开辟了QNX控制站与机器人控制柜之间的交流通道，为两者之间交流提供相同的协议，实现控制系统与各个机器人之间的数据通信，传递控制参数给机器人控制柜，同时也能够实时读取机器人的运行状态。

机器人控制柜，位于机器人硬件层，包含了伺服控制模块和状态反馈或异常处理模块，伺服控制模块主要功能是通过网络接口模块接收来自QNX控制站的指令，完成伺服控制器各种伺服电源的通断控制；状态反馈或异常处理模块用于接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制以及速度参数控制等操作。

工业机器人，位于机器人硬件层，每个工业机器人包含了伺服控制器，根据机器人控制柜控制指令进行作动。本发明方法支持接入多种型号的工业机器人，其中包括6关节串联机器人、Delta并联蜘蛛手、SCARA机器人等。

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种工业机器人的远程分层管控方法，包括：

S1、通过应用层加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网加载到运动规划层中，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

S2、所述运动规划层加载图形化程序后，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；

若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；

若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；

S3、在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；

S4、所述通讯层按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

S5、机器人硬件层通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层；

S6、在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，所述运动规划层调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示。

本实施例方法实现了对工业机器人的分层管控，从而可在任意时间、任意状态下，根据生产现场需求，快速修改机器人的控制逻辑，实现对远程机器人动作的快速修改和监控。

其中，作为本实施例的一种更优或更为具体的实现方式，所述应用层具有：

操作员站，位于应用层的编程环境，提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，以根据需求完成机器人运动程序的图形化组态；

工程师站，通过调用所述运动规划层的数据，实现实时监控工业机器人运行过程中各种状态数据，人机界面通过图形化组态实现，用于直观显示机器人整个作业流程。

所述运动规划层为QNX控制站，进一步包括：

运动学计算模块，负责机器人位置坐标的转换、运动学的正解与逆解、轨迹规划和插补算法的计算，将目标轨迹点转换为各轴角位移与脉冲、弧度形式的控制数据；

数据引擎，负责接收所述应用层的图形化程序，将每个元件所携带的数据存储在相应的数据区，通过相应的处理机制调用每个元件的底层接口函数，正确执行每个元件的功能，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程通过通讯层发送控制参数给机器人硬件层，从而实现了工业对机器人的运动轨迹规划以及运动学的计算以及全局任务的调度；

输出模块，用于输出机器人各关节的位置信息或脉冲信息；

第一通信接口模块，用于实现所述运动学计算模块、所述数据引擎与所述机器人硬件层之间的通信，包括通过通讯层传递控制数据给工业机器人和实时读取工业机器人的运行状态。

所述机器人硬件层，也叫行为层，包括：

第二通信接口模块，接收来自所述运动规划层的指令，以及反馈给所述运动规划层工业机器人的各种运行状态；

伺服控制模块，根据运动规划层的指令完成伺服电源的通断、接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制以及速度参数控制等操作；

状态反馈或异常处理模块，用于接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制和速度参数；

工业机器人，用于在伺服控制模块的控制下实现各种维度的动作。

基于同一发明构思，本申请还提供了与实施例一中的方法对应的装置，详见实施例二。

实施例二

如图3所示，在本实施例中提供了一种工业机器人的远程分层管控系统，所述机器人远程管控系统以分层结构方式实现，包括：

应用层，用于加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网进行发送，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

运动规划层，用于通过以太网加载图形化程序，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；并在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，还调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示；

通讯层，按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

机器人硬件层，通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层。

其中，作为本实施例的一种更优或更为具体的实现方式，所述装置还包括：

如图1所示，所述应用层具有：

操作员站，位于应用层的编程环境，采用可视化、图形化的组态技术，供用户离线编程，以根据需求完成机器人运动程序的图形化组态；

工程师站，通过调用所述运动规划层的数据，实现实时监控工业机器人运行过程中各种状态数据，人机界面通过图形化组态实现，用于直观显示机器人整个作业流程。

所述运动规划层为QNX控制站，进一步包括：

运动学计算模块，负责机器人位置坐标的转换、运动学的正解与逆解、轨迹规划和插补算法的计算，将目标轨迹点转换为各轴角位移与脉冲、弧度形式的控制数据；

数据引擎，负责接收所述应用层的图形化程序，将每个元件所携带的数据存储在相应的数据区，通过相应的处理机制调用每个元件的底层接口函数，正确执行每个元件的功能，从而实现了工业对机器人的运动轨迹规划以及运动学的计算以及全局任务的调度；

输出模块，用于输出机器人各关节的位置信息或脉冲信息；

第一通信接口模块，用于实现所述运动学计算模块、所述数据引擎与所述机器人硬件层之间的通信，包括通过通讯层传递控制数据给工业机器人和实时读取工业机器人的运行状态

所述机器人硬件层，也叫行为层，包括：

第二通信接口模块，接收来自所述运动规划层的指令，以及反馈给所述运动规划层工业机器人的各种运行状态；

伺服控制模块，根据运动规划层的指令完成伺服电源的通断、接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制以及速度参数控制等操作；

状态反馈或异常处理模块，用于接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制和速度参数；

工业机器人，用于在伺服控制模块的控制下实现各种维度的动作。

由于本发明实施例二所介绍的系统，为实施本发明实施例一的方法所采用的装置，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该装置的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所采用的装置都属于本发明所欲保护的范围。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明采用分层结构实现远程管控系统，大大降低系统设计耦合度、并保证软件设计的规范性，具备良好的人机交互能力，可实现对复杂生产环境下机器人的灵活操作和监控，具备互联网管控环境的能力，可适应远程管控的需求；且应用层提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，只需要采用一种编程界面就能实现对各种品牌型号的工业机器人进行二次开发及相应的控制，其中离线操作可以实现在任意时间、任意状态下，快速变更机器人的控制逻辑，逻辑组态编程使用户无需具有编程基础也能利用图形化组态方式快速调整机器人动作，操作过程简单，工作效率高。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种工业机器人的远程分层管控方法，其特征在于：包括：

S1、通过应用层加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网加载到运动规划层中，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

S2、所述运动规划层加载图形化程序后，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；

若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；

若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；

S3、在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；

S4、所述通讯层按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

S5、机器人硬件层通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层；

S6、在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，所述运动规划层调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示。

2.根据权利要求1所述一种工业机器人的远程分层管控方法，其特征在于：所述应用层具有：

操作员站，位于应用层的编程环境，提供图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程，以根据需求完成机器人运动程序的图形化组态；

工程师站，通过调用所述运动规划层的数据，实现实时监控工业机器人运行过程中各种状态数据，人机界面通过图形化组态实现，用于直观显示机器人整个作业流程。

3.根据权利要求1所述一种工业机器人的远程分层管控方法，其特征在于：所述运动规划层为QNX控制站，进一步包括：

运动学计算模块，负责机器人位置坐标的转换、运动学的正解与逆解、轨迹规划和插补算法的计算，将目标轨迹点转换为各轴角位移与脉冲、弧度形式的控制数据；

数据引擎，负责接收所述应用层的图形化程序，将每个元件所携带的数据存储在相应的数据区，通过相应的处理机制调用每个元件的底层接口函数，正确执行每个元件的功能，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程通过通讯层发送控制参数给机器人硬件层，从而实现了工业对机器人的运动轨迹规划以及运动学的计算以及全局任务的调度；

输出模块，用于输出机器人各关节的位置信息或脉冲信息；

第一通信接口模块，用于实现所述运动学计算模块、所述数据引擎与所述机器人硬件层之间的通信，包括通过通讯层传递控制数据给工业机器人和实时读取工业机器人的运行状态。

4.根据权利要求1所述一种工业机器人的远程分层管控方法，其特征在于：所述机器人硬件层包括：

第二通信接口模块，接收来自所述运动规划层的指令，以及反馈给所述运动规划层工业机器人的各种运行状态；

伺服控制模块，根据运动规划层的指令完成伺服电源的通断、接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制以及速度参数控制操作；

状态反馈或异常处理模块，用于接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制和速度参数；

工业机器人，用于在伺服控制模块的控制下实现各种维度的动作。

5.一种工业机器人的远程分层管控系统，其特征在于：所述机器人远程管控系统以分层结构方式实现，包括：

应用层，用于加载图形化编辑界面供用户在离线状态下进行逻辑组态编程；得到图形化程序并进行分析，编译与仿真后，检查程序是否符合规则，若是，则通过以太网进行发送，若否，则进行报错并提供程序错误检查；

运动规划层，用于通过以太网加载图形化程序，判断图形化程序的任务是IO指令、查询任务、空间任务的哪一种；若是IO指令或者是查询任务，则直接对图形化程序进行数据分析并映射到数据库；若是空间任务，则调用计算线程，对空间任务进行分解以及关节插补运算、运动学逆解，得到各个关节的控制指令，并映射到数据库；并在映射到数据库之后，在数据库内进行数据驱动、实时数据更新以及动态重构，得出各个工业机器人的控制参数，再调用指令发送线程发送控制参数给通讯层；在所述计算线程与所述指令发送线程空闲时，还调用查询线程查询工业机器人的各种运行状态，返回应用层的工程师站进行显示；

通讯层，按照各个机器人的协议对数据进行封装后发送给机器人硬件层；

机器人硬件层，通过通讯层接收所述运动规划层的控制参数，实现各品牌机器人的行为控制，同时能够实时读取工业机器人的运行状态反馈给所述运动规划层。

6.根据权利要求5所述的一种工业机器人的远程分层管控系统，其特征在于：所述应用层具有：

操作员站，位于应用层的编程环境，采用可视化、图形化的组态技术，供用户离线编程，以根据需求完成机器人运动程序的图形化组态；

工程师站，通过调用所述运动规划层的数据，实现实时监控工业机器人运行过程中各种状态数据，人机界面通过图形化组态实现，用于直观显示机器人整个作业流程。

7.根据权利要求5所述的一种工业机器人的远程分层管控系统，其特征在于：所述运动规划层为QNX控制站，进一步包括：

运动学计算模块，负责机器人位置坐标的转换、运动学的正解与逆解、轨迹规划和插补算法的计算，将目标轨迹点转换为各轴角位移与脉冲、弧度形式的控制数据；

数据引擎，负责接收所述应用层的图形化程序，将每个元件所携带的数据存储在相应的数据区，通过相应的处理机制调用每个元件的底层接口函数，正确执行每个元件的功能，从而实现了工业对机器人的运动轨迹规划以及运动学的计算以及全局任务的调度；

输出模块，用于输出机器人各关节的位置信息或脉冲信息；

第一通信接口模块，用于实现所述运动学计算模块、所述数据引擎与所述机器人硬件层之间的通信，包括通过通讯层传递控制数据给工业机器人和实时读取工业机器人的运行状态。

8.根据权利要求5所述的一种工业机器人的远程分层管控系统，其特征在于：所述机器人硬件层包括：

第二通信接口模块，接收来自所述运动规划层的指令，以及反馈给所述运动规划层工业机器人的各种运行状态；

伺服控制模块，根据运动规划层的指令完成伺服电源的通断、接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制以及速度参数控制操作；

状态反馈或异常处理模块，用于接收编码器的位置反馈信号、机器人运动插补控制和速度参数；

工业机器人，用于在伺服控制模块的控制下实现各种维度的动作。