CN115617006A - 基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，涉及机器人控制器技术领域，该方法包括以下步骤：步骤一：将工业机器人软件按照功能定义为多个不同的功能模块；步骤二：在操作系统中建立安全容器管理平台；步骤三：将每个功能模块通过容器框架生成对应的镜像模块容器；步骤四：分配安全容器管理平台内的资源，使每个镜像模块容器均获得满足运行所需的资源；步骤五：建立镜像模块容器间的通讯；步骤六：输入安全容器管理平台的运行脚本，并分配到各个镜像模块容器上，运行脚本支持每个镜像模块容器的运行。本申请采用操作系统安全容器对机器人控制器软件模块进行独立隔离与保护，确保模块的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及机器人控制器技术领域，具体是基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法。
背景技术
目前工业机器人控制系统多采用英特尔 X86 架构的处理器，把机器人控制器所有功能模块集中于一个操作系统的进程当中。
这种所有模块集中于同一个操作系统进程的设计方法结构简单，开发容易，但是由于进程内的所有模块共享内存空间，模块与模块之间可以直接相互访问，存在关键数据随时被篡改导致整个系统崩溃从而引起安全事故。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，以解决上述背景技术中提出现有的机器人控制器存在关键数据随时被篡改导致整个系统崩溃从而引起安全事故的问题。
为实现上述目的，本申请公开了以下技术方案：一种基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将工业机器人软件按照功能定义为多个不同的功能模块；
步骤二：在操作系统中建立安全容器管理平台；
步骤三：将每个所述功能模块通过容器框架生成对应的镜像模块容器；
步骤四：分配所述安全容器管理平台内的资源，使每个所述镜像模块容器均获得满足运行所需的资源；
步骤五：建立所述镜像模块容器间的通讯；
步骤六：输入所述安全容器管理平台的运行脚本，并分配到各个所述镜像模块容器上，所述运行脚本支持每个所述镜像模块容器的运行。
作为优选，在所述步骤五中，每个所述镜像模块容器之间的通讯机制是相同的。
作为优选，在所述步骤一中，所述功能模块包括配置为预设机器人轨迹规划算法的轨迹规划算法模块、配置为基于机器人轨迹规划算法和轨迹规划内容进行实时通讯的伺服电机通讯模块、配置为人机交互的人机交互界面模块、配置为编辑机器人控制命令的机器人语言编辑模块、配置为设置和存储机器人通讯机制的通讯模块、配置为对机器人进行远程控制的远程输入模块。
作为优选，在所述步骤三中，所述的容器框架配置为基于各个功能模块的功能对功能模块进行归类。
作为优选，在所述步骤三中，所述镜像模块容器包括实时容器、交互容器、通讯容器、IO容器；所述轨迹规划算法模块、所述伺服电机通讯模块基于所述容器框架生成所述实时容器；所述人机交互界面模块、所述机器人语言编辑模块基于所述容器框架生成所述交互容器；所述通讯模块基于所述容器框架生成所述通讯容器；所述远程输入模块基于所述容器框架生成所述IO容器。
作为优选，在所述步骤四中，分配所述安全容器管理平台内的资源具体包括：
建立容器资源分配策略库，所述容器资源分配策略库存储有镜像模块容器及其运行所需的资源数量；
采集需要分配资源的镜像模块容器的种类；
将采集到的待分配资源的镜像模块容器的种类与所述容器资源分配策略库中的数据进行比对，获取该待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量；
基于最优分配策略，将所述安全容器管理平台的资源分配至各个镜像模块容器处。
作为优选，所述的最优分配策略具体包括：
获取所述安全容器管理平台的剩余资源数量P；
将每个待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量按照由多到少的方式自上而下进行排列得到排序表，其中，所述排序表中的第1个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p1，所述排序表中的第2个待待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p2，所述排序表中的第n个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为pn；
自所述排序表由上至下依次选择数据的方式计算资源负荷量，所述资源负荷量定
义为1-n个中的若干个待分配资源的镜像模块容器所需的资源总数Q，直至
时，将当
前计算机的安全容器管理平台的资源分配给所述资源负荷量中对应的若干个待分配资源
的镜像模块容器进行运算处理，并将其他的待分配资源的镜像模块容器发送至协作的计算
机中的安全容器管理平台进行运算处理；其中，资源总数
，i为1-n中
的任意一个数值，k为1-n中的任意一个大于i的数值。
作为优选，在所述步骤六中，输入所述安全容器管理平台的运行脚本具体包括：
向所述安全容器管理平台输入编写的容器批量运行描述脚本；
基于所述安全容器管理平台的资源分配对应的镜像模块容器，对所述容器批量运行描述脚本进行分配，使每个所述镜像模块容器被分配到对应的运行脚本。
作为优选，所述步骤一还包括将功能模块与表示对应功能的语义标识进行绑定。
作为优选，所述安全容器管理平台包括配置为采集功能模块的语义标识的功能采集单元、配置为对采集到的语义标识进行解析的功能语义解析单元、配置为基于语义标识解析结果进行功能模块划分的模块划分单元、配置为基于所述模块划分单元的模块划分结果进行容器生成的容器生成单元。
有益效果：本申请的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，采用分布式架构设计工业机器人控制器内部软件模块的组织形式，并通过采用操作系统安全容器对机器人控制器软件模块进行独立隔离与保护，确保模块的安全性。进一步地，采用统一的软件通讯总线建立模块与模块间的交互，确保模块内部交互时的高效性，且防止其他模块由于内部错误引起其他模块的运行异常。同时，借助统一的软件通讯总线，模块与模块之间实现了解耦，在整个软件生命周期里面都可快速迭代更新。另一方面，基于镜像模块容器的构建，可以根据镜像模块容器运行所需资源对安全容器管理平台的资源进行合理分配，防止由于单一模块故障导致计算资源完全占用。并且，还可以基于资源所需，对各镜像模块容器进行合理分配至协作的计算机进行运算处理，从而实现在分布式架构的基础上将各个功能模块分别运行在不同的计算机，解决单一计算机无法动态扩展算力问题，提高控制器的运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法的流程框图；
图2为本申请实施例中基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法具体的流程示意图；
图3为本申请实施例中操作系统的架构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中，术语“包括”意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参考图1和图2所示的一种基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将工业机器人软件按照功能定义为多个不同的功能模块。
步骤二：在操作系统中建立安全容器管理平台。
步骤三：将每个所述功能模块通过容器框架生成对应的镜像模块容器。
步骤四：分配所述安全容器管理平台内的资源，使每个所述镜像模块容器均获得满足运行所需的资源。
步骤五：建立所述镜像模块容器间的通讯，其中，镜像模块容器间的通讯机制是相同的，即采用统一的软件通讯总线，实现模块与模块之间的解耦，在整个软件生命周期里面都可快速迭代更新。
步骤六：输入所述安全容器管理平台的运行脚本，并分配到各个所述镜像模块容器上，所述运行脚本支持每个所述镜像模块容器的运行。
在本实施例中，如图3所示的系统架构图，所述功能模块包括配置为预设机器人轨迹规划算法的轨迹规划算法模块、配置为基于机器人轨迹规划算法和轨迹规划内容进行实时通讯的伺服电机通讯模块、配置为人机交互的人机交互界面模块、配置为编辑机器人控制命令的机器人语言编辑模块、配置为设置和存储机器人通讯机制的通讯模块、配置为对机器人进行远程控制的远程输入模块。
需要说明的是，在本实施例中，所述的容器框架配置为基于各个功能模块的功能对功能模块进行归类。即基于上述的功能模块，所述镜像模块容器包括实时容器、交互容器、通讯容器、IO容器；所述轨迹规划算法模块、所述伺服电机通讯模块基于所述容器框架生成所述实时容器；所述人机交互界面模块、所述机器人语言编辑模块基于所述容器框架生成所述交互容器；所述通讯模块基于所述容器框架生成所述通讯容器；所述远程输入模块基于所述容器框架生成所述IO容器。
进一步地，在所述步骤四中，分配所述安全容器管理平台内的资源具体包括：
建立容器资源分配策略库，所述容器资源分配策略库存储有镜像模块容器及其运行所需的资源数量；
采集需要分配资源的镜像模块容器的种类；
将采集到的待分配资源的镜像模块容器的种类与所述容器资源分配策略库中的数据进行比对，获取该待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量；
基于最优分配策略，将所述安全容器管理平台的资源分配至各个镜像模块容器处。最优分配策略可以是现有技术中的任意一种，如将算力最大的功能模块分配至协作的计算机处进行运算处理，即优先将当前计算机的资源分配给算力较小的功能模块。需要说明的是，这种最优分配策略只是一种可行的实施方式，是适用于本申请的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法的。
与现有技术的最优分配策略不同的是，作为本实施例的一种优选地实施方式，所述的最优分配策略具体包括：
获取所述安全容器管理平台的剩余资源数量P；
将每个待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量按照由多到少的方式自上而下进行排列得到排序表，其中，所述排序表中的第1个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p1，所述排序表中的第2个待待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p2，所述排序表中的第n个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为pn；
自所述排序表由上至下依次选择数据的方式计算资源负荷量，所述资源负荷量定
义为1-n个中的若干个待分配资源的镜像模块容器所需的资源总数Q，直至
时，将当
前计算机的安全容器管理平台的资源分配给所述资源负荷量中对应的若干个待分配资源
的镜像模块容器进行运算处理，并将其他的待分配资源的镜像模块容器发送至协作的计算
机中的安全容器管理平台进行运算处理；其中，资源总数
，i为1-n中
的任意一个数值，k为1-n中的任意一个大于i的数值。
上述的最优分配策略所采用的是将本地的资源优先分配给算力较大的功能模块
对应的镜像模块容器，并在资源利用最大化的基础条件下，即直至
时，将当前计算机
的安全容器管理平台的资源分配给所述资源负荷量中对应的若干个待分配资源的镜像模
块容器进行运算处理，再将其他的待分配资源的镜像模块容器发送至协作的计算机中的安
全容器管理平台进行运算处理，这样做的目的是，减小本地计算机与协作计算机之间的数
据传输压力，实现在本地计算机稳健运行的基础上，快速、高效的利用协作的计算机进行运
算处理，并降低对协作计算机的负荷，在分布式布置的基础上，确保每个协作的计算机的运
行稳定性和相对独立性。
在上述的步骤六中，输入所述安全容器管理平台的运行脚本具体包括：
向所述安全容器管理平台输入编写的容器批量运行描述脚本；
基于所述安全容器管理平台的资源分配对应的镜像模块容器，对所述容器批量运行描述脚本进行分配，使每个所述镜像模块容器被分配到对应的运行脚本。
作为本实施例的一种优选的实施方式，所述步骤一还包括将功能模块与表示对应功能的语义标识进行绑定。所述步骤二中的所述安全容器管理平台，包括配置为采集功能模块的语义标识的功能采集单元、配置为对采集到的语义标识进行解析的功能语义解析单元、配置为基于语义标识解析结果进行功能模块划分的模块划分单元、配置为基于所述模块划分单元的模块划分结果进行容器生成的容器生成单元。相应的，每个单元的功能与其预先配置的内容相对应，进而完成镜像模块容器生成所需的数据与功能基础，确保每个生成后的镜像模块容器与系统的适配性。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的安全容器管理平台实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，或其它的形式。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，计算机可读存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
最后应说明的是：以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将工业机器人软件按照功能定义为多个不同的功能模块；
步骤二：在操作系统中建立安全容器管理平台；
步骤三：将每个所述功能模块通过容器框架生成对应的镜像模块容器；
步骤四：分配所述安全容器管理平台内的资源，使每个所述镜像模块容器均获得满足运行所需的资源；
步骤五：建立所述镜像模块容器间的通讯；
步骤六：输入所述安全容器管理平台的运行脚本，并分配到各个所述镜像模块容器上，所述运行脚本支持每个所述镜像模块容器的运行。
2.根据权利要求1所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤五中，每个所述镜像模块容器之间的通讯机制是相同的。
3.根据权利要求1所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述功能模块包括配置为预设机器人轨迹规划算法的轨迹规划算法模块、配置为基于机器人轨迹规划算法和轨迹规划内容进行实时通讯的伺服电机通讯模块、配置为人机交互的人机交互界面模块、配置为编辑机器人控制命令的机器人语言编辑模块、配置为设置和存储机器人通讯机制的通讯模块、配置为对机器人进行远程控制的远程输入模块。
4.根据权利要求3所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述的容器框架配置为基于各个功能模块的功能对功能模块进行归类。
5.根据权利要求4所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述镜像模块容器包括实时容器、交互容器、通讯容器、IO容器；所述轨迹规划算法模块、所述伺服电机通讯模块基于所述容器框架生成所述实时容器；所述人机交互界面模块、所述机器人语言编辑模块基于所述容器框架生成所述交互容器；所述通讯模块基于所述容器框架生成所述通讯容器；所述远程输入模块基于所述容器框架生成所述IO容器。
6.根据权利要求1所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤四中，分配所述安全容器管理平台内的资源具体包括：
建立容器资源分配策略库，所述容器资源分配策略库存储有镜像模块容器及其运行所需的资源数量；
采集需要分配资源的镜像模块容器的种类；
将采集到的待分配资源的镜像模块容器的种类与所述容器资源分配策略库中的数据进行比对，获取该待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量；
基于最优分配策略，将所述安全容器管理平台的资源分配至各个镜像模块容器处。
7.根据权利要求6所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，所述的最优分配策略具体包括：
获取所述安全容器管理平台的剩余资源数量P；
将每个待分配资源的镜像模块容器所需的资源数量按照由多到少的方式自上而下进行排列得到排序表，其中，所述排序表中的第1个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p1，所述排序表中的第2个待待分配资源的镜像模块容器的所需资源为p2，所述排序表中的第n个待分配资源的镜像模块容器的所需资源为pn；
自所述排序表由上至下依次选择数据的方式计算资源负荷量，所述资源负荷量定义为
1-n个中的若干个待分配资源的镜像模块容器所需的资源总数Q，直至
时，将当前计
算机的安全容器管理平台的资源分配给所述资源负荷量中对应的若干个待分配资源的镜
像模块容器进行运算处理，并将其他的待分配资源的镜像模块容器发送至协作的计算机中
的安全容器管理平台进行运算处理；其中，资源总数
，i为1-n中的任
意一个数值，k为1-n中的任意一个大于i的数值。
8.根据权利要求1所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，在所述步骤六中，输入所述安全容器管理平台的运行脚本具体包括：
向所述安全容器管理平台输入编写的容器批量运行描述脚本；
基于所述安全容器管理平台的资源分配对应的镜像模块容器，对所述容器批量运行描述脚本进行分配，使每个所述镜像模块容器被分配到对应的运行脚本。
9.根据权利要求1所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，所述步骤一还包括将功能模块与表示对应功能的语义标识进行绑定。
10.根据权利要求9所述的基于分布式安全容器架构工业机器人控制器设计方法，其特征在于，所述安全容器管理平台包括配置为采集功能模块的语义标识的功能采集单元、配置为对采集到的语义标识进行解析的功能语义解析单元、配置为基于语义标识解析结果进行功能模块划分的模块划分单元、配置为基于所述模块划分单元的模块划分结果进行容器生成的容器生成单元。
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