（计算机应用技术专业论文）基于开放式结构的机器人控制系统的研究和设计.pdf

基于开放式结构的机器人控制系统研究和设计 摘要 随着科技的发展，机器人技术在各个行业得到了日益广泛的应用，已 经成为自动化生产的主要组成部分。计算机技术与控制方法的快速发展， 大大拓展了机器人技术应用的灵活性，更是对控制系统的性能、结构等多 方面都产生了极为深刻的影响。机器人控制系统由封闭走向开放逐渐成为 一种趋势。 本文首先对机器人开放式控制系统的标准和特征进行了研究，随后比 较了开放式控制系统的几种实现方式。在此基础上，我们决定研制基于工 业计算机+ d s p 模式的开放式机器人控制系统。为了精确确定机器人手臂 末端的位姿及空间运动轨迹，必须对机器人运动学、机器人运动轨迹规划 等基本理论进行研究，并运用这些数学工具建立了i g m 六自由度关节型机 器人连杆坐标系、运动学方程等；同时在比较、分析各种常用插补算法的 基础上，结合生产现场的实际情况，我们决定采用c p + p t p 的轨迹规划方 法。最后在前四章理论研究和分析的基础上，我们设计了i g m 弧焊机器人 控制系统的硬件和软件。具体包括，硬件部分：弧焊机器人硬件整体系统 集成及其工作原理，原系统控制信号的分离和提取，控制系统的开放式设 计及组成原理，基于d s p 的运动控制卡结构和原理，基于u s b 接口的触 摸屏式遥控示教盒控制面板的设计，系统抗干扰的软、硬件措施；软件部 分：提出了弧焊机器人的三层开放式软件结构模型，软件结构模型与 o s a c a 的模型进行开放性比较，给出软件系统各模块线程间优先级和通 讯的解决方案，使用动态链接库技术实现软件模块化设计并给出了框架代 码，给出了c p + p t p 方式的轨迹规划软件实现过程，w i n d o w s 2 0 0 0 操作系 统实时性问题的讨论及解决方案。 关键词：机器人机器人学计算机控制开放式结构 t h er e s e a r c ha n d d e s i g no far o b o t i c c o n t r o ls y s t e m b a s e do no p e na r c h i t e c t u r e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o n so f r o b o t sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri ne v e r yi n d u s t r yo rt r a d e ，w h i c hh a s b e e nak e yc o m p o n e n to fa u t o m a t i cp r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h er a p i de v o l u t i o n o fc o m p u t e r t e c h n i q u ea n dc o n t r o lm e t h o d ，n o to n l yh a st h ea p p l i c a t i o n f l e x i b i l i t y o fr o b o tt e c h n i q u eb e e n e x p a n d e dw i d e l y , b u ta l s o h a st h e p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mb e e nm a d eg r e a ti n f l u e n c eo n u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，i ti sb e c o m i n gat r e n df r o mc l o s et oo p e n g r a d u a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es t a n d a r d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e o p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rr o b o t i ci sr e s e a r c h e da tf i r s t ，a n ds o m er e a l i z e d m o d e so ft h eo p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p a r e da sf o l l o w o nt h e b a s i so fd i s c u s s i o na b o v e ，w ed e c i d et od e v e l o pt h eo p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o l s y s t e mf o rr o b o t i cb a s e do ni p c + d s pm o d e f o rt h ep u r p o s eo fa s c e r t a i n i n g t h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o no ft h ee n do ft h er o b o t i ca r m sa n dm o t i o np a t hi n s p a c ep r e c i s e l y ，i tm u s tb es t u d i e df o rt h eb a s i ct h e o r i e so ft h er o b o t i c s k i n e m a t i c sa n dr o b o tm o t i o np a t hp l a n n i n g ，a n di ti sc o n s t r u c t e db yu s i n g t h e s em a t h e m a t i c a lt o o l sf o rt h eo r t h o g o n a lc o o r d i n a t e so fc o n n e c t i n gr o d c l e v e l sa n dk i n e m a t i c se q u a t i o n so ft h e6d e g r e e so ff r e e d o mj o i n tr o b o t i c ：a t t h es a m et i m e ，u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gk i n dso f i n t e r p o l m i o na l g o f i t h m ，w ed e c i d et ou s et h ec p + p t pm o d et op l a nt h ep a t h a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so nt h es p o to fp r o d u c t i o n a tl a s t ，w e d e s i g nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi g ma r cw e l d i n gr o b o t i cc o n t r o ls y s t e m ， b a s e do nt h et h e o r i e s s t u d y i n ga n da n a l y z i n gi np r e v i o u sf o u rc h a p t e r s i t c o n s i s t so ft w op a r t ，t h eo n ei sh a r d w a r e ：i n t e g r a t i n gt h es y s t e mo ft h ea r c w e l d i n g r o b o t sh a r d w a r e sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e s ，s e p a r a t i n ga n d e x t r a c t i n gt h eo r i g i n a ls y s t e m sc o n t r o ls i g n a l s ，d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m o p e n l ya n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e s ，c o n s t r u c t i n gt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f t h em o t i o nc a r db a s e do nd s p , d e s i g n i n gt h et e l e e o n t r o l i n gt e a c h i n gb o xo r c o n t r o lp a n e lo ft o u c h i n gs c r e e nb a s e donu s bi n t e r f a c e ，a p p l y i n gf o rs o m e s o f t w a r ea n dh a r d w a r em e a s u r e so nc o n t r o ls y s t e m sa n t i - ja m m i n g ；t h eo t h e r i ss o f t w a r e ：p u t t i n gf o r w a r dt h et h r e el e v e l so p e n i n gs o f t w a r es t r u c t u r em o d e l o fa r cw e l d i n g ，c o m p a r i n gt h eo p e n i n go fs o f t w a r es t r u c t u r em o d e lb e t w e e n o s a c aa n do u r s ，p u t t i n gf o r w a r dt h es o l u t i o n so ft h ep r ia n dc o m m u n i c a t i o n a m o n gt h et h r e a d so fs o f t w a r es y s t e m sm o d u l e s ，u s i n gt h ed l l st e c h n i q u e s t os o l v es o f t w a r e sm o d u l ed e s i g na n dp u t t i n gf o r w a r dt h ef r a m e c o d e s ， b r i n g i n gf o r w a r dt h ep a t hp l a n n i n gs o f t w a r e sr e a l i z a t i o nb yc p + p t pm o d e ， d i s c u s s i n gt h er e a lt i m eo fw i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e ma n da d v a n c i n gi t s s 0 1 u t i o n k e y w o r d s ：r o b o t ，r o b o t i c s ，c o m p u t e rc o n t r o l ，o p e na r c h i t e c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒目b 王些焘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 p 厶签字日期：沸6 耶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 互些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合 肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 “ ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储张口 签字日期：a ，d 芦蜂月孑日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 霹绸 签字日期：o 午年 ；月g 咱 电话： 邮编： 致谢 在合肥工业大学攻读硕士学位的三年学习生活中，曾经得到了众多老 师和同学的帮助，在此深表谢意。 首先，向我的导师李钢研究员表示深深的谢意和感激。几年来，他不 但在学业上给我以精心的指导，在生活及其它方面也给我很大帮助。李老 师对待科研精益求精的态度以及谦和的为人，都给我留下了深刻的印象。 李老师给我的鼓励和帮助，将使我终生受益。 其次，向我的师兄张仁斌，师弟张健，韩进等表示感谢。作为课题组 的成员，他们在许多方面都给了我莫大的帮助。 最后，感谢所有的老师和同学对我的无私关怀和帮助。 作者：陈全 2 0 0 4 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔设计了第一台可编程工业机器人，并于1 9 6 1 年拥有了该项专利。1 9 6 2 年，美国万能自动化( u n i m a t i o n ) 公司的第一台机器人 u n i m a t e 在美国通用汽车公司( g m ) 投入使用，这标志着第一代机器人的诞生 1 1 2 1 。从此，机器人开始走入人类的生活。 国际标准化组织( i s o ) 对机器人的定义是：“机器人是一种自动的、位置可 控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可 编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。 总的看来，从2 0 世纪6 0 年代初期到7 0 年代初期，机器人技术的发展较 为缓慢。进入7 0 年代以后，由于机器人技术为人工智能技术的发展提供了一个 很好的试验平台和应用场所，同时随着自动控制理论，电子计算机和航天技术的 迅速发展，到了7 0 年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段从7 0 年代末 至今，机器人技术经历了高潮，低谷，再到高潮的发展历程。目前在工业上运行的 9 0 以上的机器人，都不具有智能。如今世界各国都在积极发展智能型机器人、 ”敏捷性工业机器人”( 敏捷生产系统底层的敏捷生产设备) 、特种机器人、微型 机器人等。 1 2 工业机器人 1 2 1 工业机器人的定义 工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一 种自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机，能够搬运材 料、零件和操持工具等，用以完成各种任务。操作机则是一种具有和人手臂相 似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。 工业机器人与机械手最主要的差别在于工业机器人的控制核心是电子计算 机，可通过改变软件的方式实现动作程序的变化，以适应不同的工作环境。而 机械手动作程序则不能改变，或者只能通过修改硬件做小范围的改动。 1 2 2 工业机器人控制技术在国外的发展现状及趋势 1 ) 控制结构向模块化方向发展 例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化，机器人整机由 关节模块、连杆模块重构而成； 2 ) 控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化： 3 ) 除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、声觉、力觉、触觉 等多传感器的融合技术开始应用于机器人控制系统中； 4 ) 虚拟现实技术已经开始用于过程控制； 5 ) 遥控机器人控制系统的发展特点不是追求完全自控系统，而是致力于操作 者与机器人之间的交互控制，使机器人向智能化方向发展。如美国发射到火星 上的“索杰纳”机器人； 6 ) 机器人化机械开始兴起【2 】。如“虚拟轴机床”技术。 1 2 3 机器人在我国的发展现状 我国于八十年代中后期，“七五”科技攻关开始起步，首先在第二汽车制造厂 建立了几个弧焊和点焊机器人工作站：在国家的支持下，通过“七五”、“八五” 科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和 软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发 出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人； 特别是焊接机器人，我国于九十年代初开始自主开发点、弧焊机器人及其 相关技术；九十年代中期以后，焊接机器人的工程应用纳入到国家重点研究开 发项目中，从这时起，我国迅速掌握了焊接机器人应用工程成套开发技术、关 键设备制造、工程配套、现场运行等关键技术；特别是近几年，随着我国国民 经济的飞速发展，汽车市场的不断壮大，汽车制造业的崛起与发展，许多汽车 企业大量引进了点、弧焊机器人。 1 2 4 工业机器人在国内的研究热点和发展趋势 ( 1 ) 示教再现型工业机器人产业化技术研究 喷涂机器人、焊接机器人、电子行业用装配机器人产品的标准化、模块化、 通用化、系列化设计。 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发；激光发射器的选用，c c d 成像系统，视觉图像处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 工业机器人产业化所需的各种专用制造、装配、测试设备和工具的研究开 发。 ( 2 ) 机器人化机械的研究与开发 机器人化加工中心( r m c ) 与并联机构机床( v m t ) 开发研究 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设 备，包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智 能传感器的现场总线技术：基于广域网的远程实时通讯等。 ( 3 ) 以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人 包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块c a d 设计；通 用主流计算机构造的控制器：人机界面方式；网络功能等。 面向机器人装配、机器人柔性装配和可重构机器人柔性装配系统的设计 技术，包括数字化装配与c a d 集成技术；产品机器人化装配规划生成 技术；产品可装配性模糊评价；柔性装配线仿真软件、管理系统；基于 a g e n t 的分布式控制技术及系统各模块间的协作规划等。 装配力觉、视觉技术包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉视 别与定位技术。 ( 4 ) 智能机器人开发研究【4 】 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究 包括遥控机器人模型、人行为模型、图形仿真模型、虚拟工具和虚拟传 感器模型等的建立；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制： 知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实 ( v r ) 控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究 包括导航和定位系统的系统结构；感知系统的传感器和信息处理系统的 构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于 移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统 包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人几何动态图形建模： 遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及 基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具i 基于 虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于v r 模型操作和真实世界操作 的可切换、相容性和可交换性；v r 监控系统。 人机交互环境建模系统 包括c a d 建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互 技术：机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理 中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术 包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示：遥控机器人模型的控制； 人机接口；网络通讯。 ( 5 ) 多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术在生产过程控制和自动控制系统中的应 用。 机电一体化智能传感器：包括具有感知、自主运动、自清污( 自调整、 自适应) 的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计，实 现检测和清污的自主运动；调节控制系统：机器人机构和控制技术在传 感器设计中的应用。 总之，通过以上的介绍可以看出，当前我国机器人技术正朝着智能化、开 放式、模块化、产业化的方向发展。 虽然我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定差 距，如：可靠性低于国外产品：机器人应用工程起步较晚：生产线系统技术与 国外比有差距。这些主要是因为我国还没有形成工业机器人的产业化：品种规 格多、批量小、零部件通用化程度低。 但是，随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、 技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。特别是在非制造环境下的特种 机器人方面取得了长足的进步。最为突出的是水下机器人。6 0 0 0 米水下无缆机 器人的成果居世界领先水平【3 l ，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器 人、爬壁枫器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基 础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。 另一方面，机遇和挑战往往是并存的。目前世界机器人控制系统体系结构 的发展趋势正由传统的封闭式走向开放式，如果能够借用我国p c 硬件制造技 术的成熟，设计并制造出具有自主知识产权的开放式控制系统平台，那么就能 为我国赶超世界先进水平，抓住机遇，发挥后发优势，实现跨越式发展创造良 机。 i 3 本论文的主要工作 1 3 1 课题来源 本论文是结合安凯汽车集团公司委托研制开发的弧焊机器人控制系统的设 计而成的。原产品是八十年代从当时的西德进口的一台弧焊机器人。由于其功 能上的欠缺及设备的老化，已经无法使用，所以现在要用自行研制开发的控制 系统替代原系统，并使其恢复生产。 i 3 2 课题研究的目的 从企业的实际情况出发，为企业量身定做一套工业自动化生产装各，帮助 企业解决具体的生产问题，从而实现批量产品的焊接自动化： i 3 3 课题研究的意义 降低工人的劳动强度，稳定和提高产品的质量，促进生产率的提高：为焊 接柔性生产线提供技术支持与平台：以信息技术改造传统产业，提高加工制造 企业自动化程度。 4 1 3 4 课题研究拟解决的问题 1 ) 更换原控制系统。 2 ) 实现机器人机械部分的6 个自由度的运动，包括：腰部旋转、肩部旋转、上 臂俯仰、前臂摆动、手腕摆动、手腕转动。 3 ) 实现工作台的旋转和翻转运动控制。 4 ) 以开放式体系结构的思想为指导，重新设计机器人的控制系统，使本系统易 于更新、改造以及二次开发，便于标准化、网络化，并初步探索示教再现型工 业机器人的产业化途径。 5 ) 改变人机交互方式，放弃原来的专用机器人语言编程方式，改用基于u s b 接 1 3 的触摸屏式遥控示教盒，图形化的人机界面，所见即所得，大大方便操作人 员对机器人的操作和控制。 第二章开放式机器人控制系统的体系结构 2 1 开放式控制系统 开放的概念首先由美国提出。1 9 8 7 年，美国空军w r i g h t 研究开发中心( a f w r d c ) 发起，经里根总统批准制定了n g c e x tg e n e r a t i o nw o r k z ：a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r 下一代控制器) 计划，首次提出开放式体系结构标准。1 9 9 1 年，当时的欧共体制定了开放式系统体系规范s o s a s ( s t a n d a r d so f o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o r a u t o m a t i cs y s t e m s ) ，提出了开放式体系结构的概念。 1 9 9 2 年，欧共体开始实施e s p r i t6 3 7 9o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 自动化系统控制装置的开放系统体系结构 计划，并投资7 7 0 万欧洲货币单位，联合德、意、法等1 1 个成员国的有关研究 机构、大学和制造商进行联合攻关，其目标是研制出自动化控制系统中的开放 式体系结构p j 。 1 9 9 4 年底，g m 、f o r d 和c h r y s l e r 又提出了o m a c ( o p e n 、m o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r s ) 即开放式、模块化体系结构控制器的概念，其目的主要是规定控制 器制造厂商所生产的产品应符合开放化、模块化体系控制器的要求，一方面使 用户受惠，另一方面可使制造者减少初期投资，缩短开发周期，延长机器的生 命周期，减少维护费用，便于插入各种硬件和软件资源，有效地重构控制器以 适应新的过程，并能有效地吸纳新的技术【6 j 1 7 l 。 尽管国外在开放式控制器方面的研究投入了大量的人力、财力和物力，但 是根据美国通用电机制造控制研究所j e r r yy e n 的观点，目前还没有哪个厂商研 制的c n c 系统能完全符合o m a c 计划的要求【8 】。 2 1 1 定义 当前，开放式控制系统的发展仍然处于“众说纷纭”阶段，还没有形成一 个国际公认的技术标准规范和文件。 p e t e rm a n l e y ( c i m e t r i xi n c ) 认为开放系统应该基于标准计算机体系( 血1 1 v m e 或i s a 总线) 和标准处理器( 如m o t o r o l a 6 8 0 x o ，p o w e r p c 或基于i n t e l x 8 6 ，p e n t i u m 的系统) ，运行于u n i x 或w i n d o w sn t 等标准操作系统，采用v i s u a lb a s i c 或 v i s u a lc + + 或c c + + 或x + m o t i f 等标准语言编程，控制软件允许集成新的控制算 法，如运动学、力控、运动和i o 子系统等。 l o t h a rr o s s o l ( t r e l l i ss o f t w a r e & c o n t r o li n e ) 认为开放系统应该运行在商品 化的标准计算机硬件和操作系统上，具有开放的硬件和软件接口以及标准工业 用户图形界面。 n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n dt e c h n o l o g y ) 将开放系统的要求归纳 为可互操作性、可移植性、可派生性和可互换性。它认为：“开放式体系结构 是能够实现所有功能的控制器，而构成这种控制器的所有硬件和软件都能够从 现有的大量资源中获得。” b r a i nc h r i s t e n s e n ( d e n e br o b o t i c s i n c ) 认为开放意味着一种即插即用策略， 系统的元素可以是真实的、虚拟的或两者兼有，实现真实或虚拟的机器人单元与 真实的p l c p c 或整个虚拟工厂之间的无缝通讯 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义为：“a no p e ns y s t e mp r o v i d e s c a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u no nav a r i e t yo f p l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n d p r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t hu s e r ”亦即一个开放式系统应提供合 理实现的应用程序，能够运行在来自于多个供应商的不同平台上，并能与其他 应用系统相互操作，同时具有一个用来与用户交互的一致的风格 9 1 。 o s a c a 的定义：开放式系统由一组逻辑上相互分离的模块构成，系统明确 定义了这些模块之间的接口以及这些模块和实现平台之间的接口，以便在构成 一个完整、正确的功能化控制时，不同厂家的模块能相互兼容，进行有意义的 组合，并且能在各种平台上运行。同时，系统的接口具有统一的标准。 从以上对开放式结构的不同理解，我们可以看出，“开放式系统”是一个动 态发展的概念，不同项目和组织对开放式体系结构的定义有着不同的侧重点。 总结起来，开放式机器人控制器的思想应该具有如下特点： ( 1 ) 使用基于非专用计算机平台( 如s u n ，s g i ，p c 等) 的开发系统； ( 2 ) 使用标准的操作系统( 如u n i x ，v x w o r k s ) 和标准的控制语言( 如c 或 c + + ) ： ( 3 ) 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口： ( 4 ) 使用网络策略，允许工作单元控制器共享数据库，并允许远程操作。 基于以上思想构建的开放式控制系统应该具有如2 1 2 节所述的特征。 2 1 2 开放式控制系统的特征【1 0 l 1 1 1 1 1 2 1 1 3 】【1 4 1 ( 1 ) 可互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) ：可互换性是指系统中的各功能模块，在市 场上都有同类产品可供选择和替换。这样从用户的角度来说，可以选 用具有相同功能但成本较低、容量和可靠性较高的产品，从而不会受 制于某一个制造商，有利于整机性能价格比的提高。例如可依据此项 原则选用运动控制卡、伺服驱动器等关键部件，以避免更换系统的其 他部件，降低成本。 ( 2 ) 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：互操作性是指系统中各模块之间可以通过标 准化的接口，互相协作共同工作。标准化接口包括标准数据语义、行 为模式、物理接口、通信机制和交互机制等。随着c i m s 制造技术的不 断发展，不但要求不同系统应能彼此互连，实现有效的信息互通，同 时应在信息互通的基础上，能够实现信息互用，使得不同的应用模块 能够相互操作，协调工作。 ( 3 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：开放式体系结构的可移值性是指相同的模块可在 不同的控制器或硬件平台上运行的能力。这里的模块是指硬件装置或 应用程序模块。要使系统具有可移植性，那么控制软件就必须具有设备 无关性，硬件装置必须具有通用的标准接口。这样，在不需改变系统 平台的前提下，可移植性使系统的柔性得到提高。可移植性特点所起 的作用已经由p c 领域的发展历程得到了证实。 ( 4 ) 可伸缩性( s e a l a b i l i t y ) ：可伸缩性是指通过对系统各模块单元进行装载 或卸载即可实现增减系统功能的要求。因为，现实中的各种控制系统 并不都需要复杂而完备的功能体系，在具体的功能实现上是千差万别 的。所以，在这种情况下用户没有必要购买不适于加工环境的复杂机 器人系统，而只需根据具体的工艺要求，通过简单的装载或卸载操作， 合理选用相应的功能模块，从而实现最优的投入产出比。另一方面， 对于用户的改造或二次开发的要求，该特点亦能给予相应的支持，这 样可以在原系统的基础上，通过增减配件或软件以强化或弱化系统功 能，以适应变化了的加工场合或加工设备。如通过增加存储器或传感 器板到总线上即可强化系统功能。 ( 5 ) 易获得性( a v a i l a b i l i t y ) ：构成开放系统的硬件模块或应用软件不依赖于 某一特定的供应商，其来源可以有多种，功能相近、接口相同的模块 之间可以相互替换。 。 ( 6 ) 可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) ：可扩展性指控制系统的功能可以很方便地进行 拓展，便于用户或制造商进行更新、改造或二次开发。 ( 7 ) 模块化( m o d u l a r i t y ) ：开放系统由一系列功能模块( 包括硬件模块和软件 模块) 组合而成，这些模块可以由用户和系统集成商选用和替换，而不 影响控制系统其余部分的功能实现。 ( 8 ) 即插即用( p l u ga n dp l a y ) ：开放系统采用各功能模块来搭建系统组织结 构，且各模块具有“热插拨”的即插即用能力。 以上仅是从系统的角度定性地讨论了开放式控制系统的特征。根据这些特 征可以看出，理想的开放式控制系统，首先应该具有一个由通用硬件模块搭建 的硬件平台，然后在此平台的基础上再构建相应模块化的软件系统。 2 1 3 开放式控制系统的优点【1 6 】【1 7 l ( 1 ) 开放式机器人控制系统的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修 改用户可以根据需要进行机器人控制器改型。使得开放式机器人系统 的应用范围更广。 ( 2 ) 硬件和软件结构很容易集成传感器、操作接口( 如力反射) ，新的伺服控制 规律等。 ( 3 ) 开放式机器人控制系统采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以 使用经过测试、性能良好的子系统模块。功能模块的复用可以降低开 发成本，提高系统的质量和安全性能，保证控制系统能满足需求，不会产 生意想不到的致命错误，使机器人系统安全性能得到可靠的保证采用 通用模块使得重复性的开发工作大大减少，简化了编程工作，从而减少 了整个系统开发的时间和成本。 ( 4 ) 开放式控制系统便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开 放式控制系统具有减少培训需求、降低系统支持需求和减少维护成本 的前景。 5 ) 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接口标准的第三方硬件和 软件包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件，从而刺激系统供应 商之间的竞争通过竞争，一方面用户可以获得更丰富的硬件和软件资 源，降低实现成本。另一方面也加速了从研究系统向可操作系统的转化 这样缩短了从研究到商品化产品的周期。 2 2 几个开放式控制系统的标准 开放式控制系统的标准是为整个控制系统产业提供的标准和规范，由国家 或大公司出资进行研究和推广。由于出发点和对“开放”理解上的差别，控制 系统的标准和规范也有所不同。下面简单介绍几种在国际上影响比较大的开放 式控制系统的标准和规范。 2 2 1 美国o m a c 计翅l 【1 8 l 美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福 特和通用三大汽车公司于1 9 9 4 年开始了一项名为“开放式模块化体系结构控制 器o m a c ”的计划。o m a c 提出了系统基础框架，构造了完整的体系结构。其 基础框架包括信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等， 该计划的主要目的在于降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品的开发 周期，提高机床的利用率，提供软、硬件模块的即插即用和高效的控制器的重 构机制，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上 新技术的发展，并适应需求的变化。 不过，由于o m a c 的成员不是控制系统的开发商而是最终用户，所以这就注 定了它产品化、实用化的步伐不可能很快。实际上，美国工业界认为o m a c 只 是一种概念，而不是一种规范或控制系统。对于自身的这先天不足，o m a c 9 也已认识到了，并在逐步与o s a c a 等进行联合。 2 2 2 欧共体o s a c a 【1 9 j f 2 0 j o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m ) 是1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商 和科研机构联合发起的，并在1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟的 p r i t i i i 项目计划。这实际上是第一阶段o s a c a i ，它于1 9 9 6 年结束，完成 了o s a c a 规范和应用指南的制定。o s a c a i i ( e s p r i t9 1 1 5 ) 于1 9 9 6 年4 月结 图2 1o s a c a 的体系结构 束，主要完成依照o s a c a 规范为其系统开发标准、通用软件库和通用的o s a c a 系统平台。一个o s a c a 控制系统在结构上分为两个部分：应用软件和系统平台， 如图2 1 所示。 从图中可以看出应用软件用于实现应用系统自身的功能需求，系统平台则 是整个系统实现的基础。o s a c a 的应用软件主要由一系列逻辑上相对独立的模 块组成，彼此之闯是一种松耦合的关系，通过利用系统平台所提供的通信机制、 配置功能以及相应的a p i 函数来完成整个控制功能。下面我们对其应用软件和 系统平台做进一步的介绍。 应用软件主要包含了一系列离散的结构对象( a r c h i t e c t u r eo b j e c t 简称a o ) ， a o 独立完成一定的功能。系统平台则包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括 了各种电子设备、i p c 、数据采集卡等。系统软件包括了操作系统、通信系统 和驱动程序等。系统平台为应用程序提供了一个标准的应用程序接口( a p i ) ，a p i 屏蔽了与平台相关的具体操作，这样各个应用模块就可以在不同的环境中移植。 进一步描述o s a c a 可以将其结构分为三个部分。 结构模型：o s a c a 的结构模型是一种“分层的系统平台+ 模块化的功能单元” 的体系结构，这样的安排确保了应用系统硬件无关性及功能单元之间的互操作 性。在o s a c a 看来，开放式控制系统应该是一个以系统平台为基础。由一组相 对独立的功能模块组成，各模块无须包含平台的任何信息：在模块与平台之间 定义了标准接口，允许不同厂商所提供的模块进行协调工作。 通讯系统：o s a c a 的通讯系统用于解决各a o 模块之间以及a o 与平台底层 间的信息交换。通讯系统既支持同一系统平台上各个a o 之间的信息交互，又 可以通过不同的通讯机制支持不同系统平台上a o 之间的信息交换，从而有力 地支持a o 模块的设备无关性和平台无关性。从整体上来看o s a c a 的通讯体系 结构是以o s i 参考模型为参照的。 配置系统：o s a c a 的配置系统主要用于在系统平台上定义及初始化所需的 a o 实例，并对它进行实时配置，建立起系统软件的运行结构。在依附于o s a c a 系统平台的配置系统中可以嵌入a o 的类库，从而保证在系统运行之初系统所需 的a o 能够被实例化，同时a o 间的连接也能建立起来。当应用环境发生了变化 而要求系统重新配置时，只需按照新建立的软件运行结构，修改配置文件，将 所需的a o 重新实例化即可，系统程序不必重新进行连接和编译，这样用户可随 意增加或减少功能模块，实现控制系统的d i y 。 2 2 3 日本o s e c 计划【2 1 】 日本o s e c “控制器开放系统环境”由日本东芝机器公司、丰田机器公司和 m a z a k 三家机床制造商以及日本i b m 、三菱电子以及s m l 信息公司共同组建， 其目的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本的 i r o f a 研究中心所提出的c n c 系统参考模型为基础，提出了一个开放式体系结 构，以实现i r o f a 的参考结构，并在其参考结构中增加了定制和分化产品的功 能。o s e c 将讨论的重点集中在n c 数字控制本身和分布式控制系统上，它所提 出的开放式c n c 系统的结构包括了三个功能层和七个处理层。每个处理层都被 分为两个部分：n c 基本功能部分和可变功能部分，o s e c 开放式系统正是通过 这一特点来表现其开放性的。同时o s e c 也详细地表达了一个标准的接口协议 1 2 2 。 o s e c 的主要特点：( 1 ) 提出了开放式数控系统的参考模型，并将其具体化为 实装模型；( 2 】开发了基于p c 的人机接口系统：( 3 ) 提出并开发了新的n c 语言 o s e l ；( 4 ) 开发了用于机床控制的接口( o s e ca p i ) 及语言处理器。 以上介绍的三种国际上流行的开放式控制器的规范和标准主要针对于机床 行业，应用在机器人中则有一定的局限性，如标准模块库a p i 的适用性问题等。 2 3 基于p c 的开放式控制系统的实现方式 目前，开放式机器人控制系统的硬件平台基本可以分为两类：基于v m e 总线 的系统和基于p c 总线的系统。 基于v m e 总线 1 0 1 【2 3 】【川的系统通常采用v x w o r k s ，u n i x 操作系统或u n i x 的扩 展版本如( l y n x o s ) 。v m e 总线是一种广泛应用于工业控制、军事、航空、交通、 电信和办公设各的工业总线。 p c , 蚴t 1 6 1 1 2 4 2 5 1 是一种开放性总线，借助于这种总线，使得整个系统具有模 块化、开放性、可嵌入的特点