CN116330263A - 一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，包括以下步骤：示教器获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；控制器软件系统通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令；并显示运动控制指令和机器人状态信息；控制器硬件系统获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。本发明不仅可以实现运动控制，还可以实现仿真，由自动化软件CODESYS实现，包括运动控制程序和仿真模块。实验和程序设计结果表明，该系统运行良好，具有实用性和可靠性。

Description

一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法

技术领域

本发明涉及智能制造、自动化控制和工业机器人平台领域，具体说是一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法。

背景技术

CODESYS(Controlled Development System)是德国codesys集团推出的功能强大的PLC软件编程工具。它具有完整的PLC开发环境，可实现从PLC编程到最终产品的一整套流程。其既可实现基本的PLC逻辑控制，也可以实现轴运动控制。将以Codesys为开发环境构建智能工业机器人控制器研发平台，该版本在原控制器平台模块算法和软件架构进行优化。

目前的智能工业机器人平台通常采用不同的操作平台和系统，但是无法实现硬件和软件统一，因此导致开发算法不通用，不适用所有的各个机器人厂家合作开发。

发明内容

本发明目的是提供一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，以克服上述平台的缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于Codesys的智能工业机器人平台，包括：

示教器，用于获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统，用于根据通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令，并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统，用于获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

所述控制器软件系统包括：

HMI，用于接收用户的指令或者获取示教器的控制信息，触发相应的工序，将工序发送至单核处理器，以使多个单核处理器通过分核控制的方式处理工序；

多个单核处理器，每个单核处理器用于运行运动控制算法、机器人算法、机器人任务分配、机器人引用中的一种，并通过与共享内存进行数据交互，获取包含机器人变量、通讯方式的信息；

算法库，用于存储机器人算法，包括机器人模型、机器人语言、轨迹规划、导航算法和力控制中的至少一种算法模块；

RSP通信层，用于提供运动控制算法，通过单核处理器获得机器人位置、速度，并发给机器人控制器以完成平台的运动控制。

所述机器人变量包括IO变量、机器人位置、关节值、速度、力矩值和其它传感器信息。

多个单核处理器包括：

第一单核处理器，用于对于分配任务的机器人，通过调用RSP通信层的运动控制算法、算法库中的机器人算法，得到机器人位置、速度，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以实现对机器人的运动控制；

第二单核处理器，用于对于分配任务的机器人，调用算法库中的算法模块、RSP通信层的运动控制算法，得到算法模块的输出值作为控制量，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以完成机器人应用功能；

第三单核处理器，用于将工序分解成任务，进行机器人任务分配，将分配结果发送至第一单核处理器、第二单核处理器用于计算机器人位置、速度和控制量；

第四单核处理器，用于机器人引用即自定义任务，发送至至第一单核处理器、第二单核处理器。

所述共享内存用于存储系统文件、机器人变量、通讯方式信息。

一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，包括以下步骤：

示教器获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令；并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

所述控制器软件系统执行以下步骤：

HMI接收用户的指令或者获取示教器的控制信息，触发相应的工序，将工序发送至单核处理器，以使多个单核处理器通过分核控制的方式处理工序；

多个单核处理器分别运行运动控制、机器人算法、机器人任务分配、机器人引用中的一种，并通过与共享内存进行数据交互，获取包含机器人变量、通讯方式的信息；

RSP通信层通过单核处理器获得机器人位置、速度，并发给机器人控制器以完成平台的运动控制。

多个单核处理器包括：

第一单核处理器通过调用RSP通信层的运动控制算法、算法库中的机器人算法，得到机器人位置、速度，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以实现对机器人的运动控制；

第二单核处理器调用算法库中的算法模块、RSP通信层的运动控制算法，得到算法模块的输出值作为控制量，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以完成机器人应用功能；

第三单核处理器将工序分解成任务，进行机器人任务分配，将分配结果发送至第一单核处理器、第二单核处理器用于计算机器人位置、速度和控制量；

第四单核处理器通过机器人引用即自定义任务，发送至至第一单核处理器、第二单核处理器。

一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，包括以下步骤：

示教器获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统根据通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令，并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

本发明具有以下有益效果及优点：

(1)为机器人系统提供基础功能函数。包括：1)机器人服务平台，将机器人系统与操作系统隔离，并实现基本的总线协议栈(RSP通信层)和数据工具；2)机器人算法库，实现机器人手臂、底盘相关算法功能。

(2)工业、服务机器人支持标准ROS—I功能接口和仿真模型，图1所示，处于通信层(属于RSP中的一部分)，可快速对接开源算法，构建开放式控制系统通过使用先进开源算法，分析算法原理与实现机制，最终移植算法功能，扩充算法库。

(3解决了不同机器人之间硬件/操作系统在功能、接口、使用方式上存在的差异；

(4)基于Codesys的智能工业机器人平台软件包括硬件系统和软件系统两部分。该控制系统不仅可以实现运动控制，还可以实现仿真(在人机交互层HMI进行仿真)。硬件系统由并联机器人本体、嵌入式工控计算机、伺服驱动和电机系统、EtherCAT模块和I/O模块等组成。软件系统由自动化软件CODESYS实现，包括运动控制程序和仿真模块。实验和程序设计结果表明，该系统运行良好，具有实用性和可靠性。

附图说明

图1本发明的系统框架图；

图2CODESYS总体架构图；

图3基于Codesys系统平台软件货架示意图；

图4基于Codesys的双通道智能工业机器人平台框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，基于Codesys的双通道智能工业机器人平台框图，智能工业机器人平台是一种新型式的机器人控制器产品，属于机器人市场里的核心模块。支持多种PLC编程语言(IL ST LD SFC CFC FBD)，支持多种现场总线(ETHERCAT、CANOPEN等)，支持多PLC任务，集成强大的IO拓展。该产品满足了对整个机械结构运动精度的苛刻要求，避免了多个运动单元的误差累积而造成的精度不达标，大大提高了操作定位精度。

本发明的一种基于Codesys的智能工业机器人平台软件设计方法，可以对控制器平台软件架构进行优化，完善平台的组件库，对控制总线进行功能拓展。

一、数据流交互

对于一种基于Codesys的智能工业机器人控制器软件系统采用实时控制方式，以保证运动控制的准确性。MES系统依靠以太网通信与智能工业机器人控制器进行数据流的信息交互。机器人有关数据相关的变量作为MES系统的输入，MES系统通过以太网接收数据，并对数据进行分析。控制器软件系统与示教器采用串口通信，串口通信相比传统的以太网通信数据传输更可靠。虽然串口通信数据传输的距离较短，但能满足示教盒和机器人的连接距离，所以采用串口通信这种最稳定的通信方式。基于Codesys的智能工业机器人控制器软件可以协调不同机器人在功能、接口、使用方式上存在的差异。以保证机器人的正常通信。

二、分核控制方式

传统的工业软件控制都是依靠单核进行控制，本专利采用“分核控制方式”的内容，将不同任务按照功能划分。根据分配任务的类型决定什么内核进行运行。例如运动控制采用核一控制；机器人算法采用核二进行控制；机器人任务分配采用核三进行控制；机器人引用核四进行控制。以此类推。系统文件和机器人相关变量采用共享内存方式进行网络通讯等方式交互数据，以实现功能完全解耦。不仅可以把机器人需要通信的关键信息提取出来，也方便了数据交互和监控。

三、机器人平台软件

图3基于Codesys系统平台软件货架技术，Codesys在智能工业机器人软件平台中，主要是提供一个稳定可靠符合标准的总线程序。基于Codesys系统平台软件货架技术，Codesys提供广泛的现场总线支持，如EtherCAT，CANopen，Profibus，Profinet，Modbus，EtherNet/IP。依靠Codesys的总线技术加上本专利的软件货架技术，可以形成一套完善的智能工业机器人平台软件。该智能工业机器人平台软件的货架技术包含，机器人平台、软件算法和RSP层。算法库包含：机器人模型、机器人语言、轨迹规划、导航算法和力控制。RSP层主要依靠Codesys自带总线组件。该智能工业平台软件可以进行工业机器人控制和服务机器人控制。

如图2所示，CODESYS总体看，包括上位机开发系统以及运行在硬件设备的Runtime。其中MainTask是主任务用于控制机器人。其余两个是系统自带任务。SoftMotion_PlanningTask任务是添加轴组时自动生成用于运动规划正反解。VISU_TASK时添加视图界面时生成用于视觉界面的控制调度。MainTask任务执行模块可通过拖拽PLC模块方式进行添加。任务随意添加，并支持调度周期和优先级配置。注意控制机器人的线程的调度间隔需要和机器人总线周期一致。

如图4所示，为智能工业机器人平台与外围系统连接框图，整个机器人控制软件系统功能如下：

Robot Standard

重新梳理机器人标准功能，完成基础功能、指标测试，版本定型->机器人操作说明书&规格书

采用分核控制的方式

将独立的功能模块绑定到单独的CPU上，对于每个核可以单独设置最大的负荷、时基以及可能的周期时间；各独立模块间通过共享数据、系统文件、网络通讯等方式进行数据交互，实现功能的完全解耦。

Robot Options

通讯协议标准化、打磨工艺软件、装配工艺软件->机器人工艺说明书

Robot Language

升级指令系统架构和指令集，支持一定程度的二次开发->机器人编程说明书

Robot Safety

根据ISO-15066增加协作机器人安全功能

操作系统

采用E3845控制器，风河实时操作系统

ROS控制系统

ROS作为规划控制器进行复杂运算，SNRC控制器作为执行控制器实时控制，实现标准的ROS-I接口并提供机器人仿真模型，远端PC作为三维仿真UI。

四、三次样条

为提高机器人末端轨迹的跟踪精度，直线圆弧插补在路径上增加节点数，导致在线计算量和空间存储量大，效率低。样条插补合理设计速度、加速度、加加速度能实现机器人运动平稳，但不能描述自由曲线。因此，在机器人控制系统中加上能提高实时性且描述自由曲线的曲线插补功能。

数控技术和设备是现代工业制造现代化的重要基础，而数控技术的一个主要发展方向就是高速高精度加工。在数控技术的发展中，插补算法和速度控制都是直接影响加工速度和精度的主要因素，其中非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)曲线插补技术已然成为高端数控系统的必备能力。为了实现插补阶段末端执行器可以平稳通过所有加工点，本文提出了一种基于速度前瞻的NURBS曲线插补算法。

五、Codesys系统

CODESYS运动控制具体的功能都是通过function blocks来实现的，主要分为两类：SMC_功能块：有3S公司定义的运动控制功能。MC_功能块：由PLCopen定义的运动功能块。

Claims (9)

1.一种基于Codesys的智能工业机器人平台，其特征在于，包括：

示教器，用于获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统，用于根据通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令，并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统，用于获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台，其特征在于，所述控制器软件系统包括：

HMI，用于接收用户的指令或者获取示教器的控制信息，触发相应的工序，将工序发送至单核处理器，以使多个单核处理器通过分核控制的方式处理工序；

多个单核处理器，每个单核处理器用于运行运动控制算法、机器人算法、机器人任务分配、机器人引用中的一种，并通过与共享内存进行数据交互，获取包含机器人变量、通讯方式的信息；

算法库，用于存储机器人算法，包括机器人模型、机器人语言、轨迹规划、导航算法和力控制中的至少一种算法模块；

RSP通信层，用于提供运动控制算法，通过单核处理器获得机器人位置、速度，并发给机器人控制器以完成平台的运动控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台，其特征在于，所述机器人变量包括IO变量、机器人位置、关节值、速度、力矩值和其它传感器信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台，其特征在于，多个单核处理器包括：

第一单核处理器，用于对于分配任务的机器人，通过调用RSP通信层的运动控制算法、算法库中的机器人算法，得到机器人位置、速度，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以实现对机器人的运动控制；

第二单核处理器，用于对于分配任务的机器人，调用算法库中的算法模块、RSP通信层的运动控制算法，得到算法模块的输出值作为控制量，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以完成机器人应用功能；

第三单核处理器，用于将工序分解成任务，进行机器人任务分配，将分配结果发送至第一单核处理器、第二单核处理器用于计算机器人位置、速度和控制量；

第四单核处理器，用于机器人引用即自定义任务，发送至至第一单核处理器、第二单核处理器。

5.根据权利要求1所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台，其特征在于，所述共享内存用于存储系统文件、机器人变量、通讯方式信息。

6.一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

示教器获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令；并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

7.根据权利要求6所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，其特征在于，所述控制器软件系统执行以下步骤：

HMI接收用户的指令或者获取示教器的控制信息，触发相应的工序，将工序发送至单核处理器，以使多个单核处理器通过分核控制的方式处理工序；

多个单核处理器分别运行运动控制、机器人算法、机器人任务分配、机器人引用中的一种，并通过与共享内存进行数据交互，获取包含机器人变量、通讯方式的信息；

RSP通信层通过单核处理器获得机器人位置、速度，并发给机器人控制器以完成平台的运动控制。

8.根据权利要求6所述的一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，其特征在于：多个单核处理器包括：

第一单核处理器通过调用RSP通信层的运动控制算法、算法库中的机器人算法，得到机器人位置、速度，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以实现对机器人的运动控制；

第二单核处理器调用算法库中的算法模块、RSP通信层的运动控制算法，得到算法模块的输出值作为控制量，通过RSP通信层发送至机器人控制器，以完成机器人应用功能；

第三单核处理器将工序分解成任务，进行机器人任务分配，将分配结果发送至第一单核处理器、第二单核处理器用于计算机器人位置、速度和控制量；

第四单核处理器通过机器人引用即自定义任务，发送至至第一单核处理器、第二单核处理器。

9.一种基于Codesys的智能工业机器人平台实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

示教器获取用户输入的控制信息，并发送至控制器软件系统；

控制器软件系统根据通过Codesys获取用户的指令或者接收示教器的控制信息，以及从控制器硬件系统反馈的机器人状态信息，通过分核控制的方式进行处理，得到运动控制指令，并显示运动控制指令和机器人状态信息；

控制器硬件系统获取控制器软件系统发送的运动控制指令运动，并反馈机器人的状态信息至控制器软件系统。

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