基于中間件的工業(yè)機(jī)器人軟件框架的研究和應(yīng)用

摘要：在國內(nèi)首次使用中間件技術(shù)，面向機(jī)車維護(hù)工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計開發(fā)可擴(kuò)展、升級和移植的軟件應(yīng)用框架。詳細(xì)介紹了軟件框架的設(shè)計和實現(xiàn)，包括采用兩層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)服務(wù)器、框架的技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)CORBA IDL的具體設(shè)計和定義。最后規(guī)劃了今后的研究工作。

關(guān)鍵詞：中間件； 公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)； 工業(yè)機(jī)器人; 機(jī)車維護(hù)

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1069－04

0引言

火車機(jī)車車輛的檢測與維護(hù)是鐵路機(jī)務(wù)段和機(jī)車維護(hù)廠的主要任務(wù)，檢修車間每天需要檢測與維護(hù)的火車有數(shù)十列，每列火車被分解檢查、更新部件，然后重新裝配后投入運行，工作量巨大。由于車底盤是磨損消耗最集中的部位，火車檢修主要是針對車廂底盤。機(jī)車底盤維護(hù)流程大體如下：

a)在機(jī)車承載兩側(cè)取出四組承載耳并檢查承載耳;

b)在機(jī)車承載兩側(cè)取出彈簧組并檢查彈簧;

c)翻轉(zhuǎn)機(jī)車承載，卸掉交叉桿，檢查交叉桿;

d)卸掉機(jī)車承載兩端的三角梁;

e)在四個八字面上去掉墊片，焊接新的墊片;

f)重新安裝機(jī)車承載兩端的三角梁;

g)重新安裝交叉桿，翻轉(zhuǎn)機(jī)車承載;

h)重新安裝彈簧組;

i)重新安裝承載耳。

以上每一步操作持續(xù)5~10 min。目前國內(nèi)所有工作都是人工操作，輔以簡單的機(jī)械設(shè)備，自動化水平非常低。根據(jù)上述情況，啟動了采用工業(yè)機(jī)器人流水線實現(xiàn)機(jī)車車盤檢修自動化的研究。維修線整體設(shè)計布局如圖1所示。圖中流程按逆時針方向進(jìn)行，右邊工作帶是步驟a)~d)；左邊工作帶是步驟f)~i)；中間是步驟e)。步驟e)配置了4臺焊接機(jī)器人，其他步驟都各配置1臺機(jī)器人，1臺移動機(jī)器人作為AGV，負(fù)責(zé)將彈簧和承載耳從右邊工作帶運送到左邊工作帶。整個流程包括13臺機(jī)器人，在研發(fā)階段，步驟c)和g)使用自行設(shè)計制造的特種機(jī)器人，使用Pioneer先鋒作為AGV，其他步驟使用2臺6自由度的Motoman UP6機(jī)械手。

在現(xiàn)場應(yīng)用中，機(jī)器人類型以及工位作業(yè)不一樣，控制方式和通信協(xié)議也不一樣，作業(yè)流程是分布異構(gòu)的。各機(jī)器人必須按一定的節(jié)拍工作，以確保整個流程在給定時間內(nèi)完成。

符合現(xiàn)場應(yīng)用的軟件框架要求能夠管理工業(yè)機(jī)器人，調(diào)度指定作業(yè)，并為作業(yè)的編輯、仿真和實時監(jiān)控提供有效的視覺手段。根據(jù)現(xiàn)場的特性和要求，軟件框架采用中間件技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)。

目前可用的中間件技術(shù)包括CORBA、Microsoft .NET、IBM SOM、SOAP、RTC、Sun’s Java/RMI等。軟件框架的系統(tǒng)中間件采用C++ CORBA，在客戶端除了C++ CORBA，還使用Java/RMI。

CORBA是由OMG提出并維護(hù)的獨立于供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[1]，它為可移植的分布式計算應(yīng)用提供了平臺無關(guān)的編程接口和服務(wù)模型。由于獨立于編程語言、操作系統(tǒng)平臺和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，CORBA高度適合于分布式應(yīng)用系統(tǒng)的集成以及在已有系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)新的應(yīng)用軟件[2]。圖2展示了CORBA機(jī)制內(nèi)的部件模型，這些部件一起實現(xiàn)了CORBA的互操作性、可移植性以及其他特性。其中，客戶端和駐留在服務(wù)器的各種CORBA對象通過ORB(object request broker)互連通信。ORB可由不同廠家實現(xiàn)，但都遵循一致的CORBA協(xié)議，對于客戶端來說都是透明無區(qū)別的。

實時CORBA(real－time CORBA，RTCORBA)協(xié)議[3]擴(kuò)展了CORBA核心模型以支持實時架構(gòu)需要。當(dāng)前可用的實時CORBA是基于C++和Java的實現(xiàn)。實時CORBA設(shè)計了編程接口，可以在應(yīng)用程序中配置并控制計算機(jī)處理器以及通信和內(nèi)存等資源。由于這些特性，軟件框架采用了實時CORBA提供的若干特性和服務(wù)。

1試驗環(huán)境

如圖3所示，軟件框架的試驗環(huán)境是基于局域網(wǎng)的，實際包括三個機(jī)器人單元，一臺網(wǎng)絡(luò)計算服務(wù)器和若干工控PC。

機(jī)器人單元中有兩個是Motoman UP6機(jī)械手及配套的控制器和本地工控機(jī)。該機(jī)械手有六個自由度，由控制器直接控制，控制器可以通過RS－232或以太網(wǎng)卡與一臺工控PC連接，如圖4所示。

系統(tǒng)服務(wù)器的配置如下：操作系統(tǒng)為RedHat AS3；

CPU為Intel(R) Xeon(TM) CPU 3．00 GHz；RAM為2 GB；

CORBA為ACE/TAO 1．4；數(shù)據(jù)庫為Oracle 9i for Linux。

在客戶端研發(fā)使用三臺工控PC：一臺運行Linux操作系統(tǒng)用于Pioneer的編程和調(diào)試;兩臺運行Windows。其中一臺運行Visual C++和ACE/TAO，用來開發(fā)基于CORBA的C/S方式的客戶端應(yīng)用；另外一臺安裝JDK用來開發(fā)基于RMI的B/S方式的客戶端應(yīng)用。圖5說明了客戶端應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

按圖3~5設(shè)計，整個軟件框架的通信都是基于CORBA IIOP(Internet inter－ORB protocol)的。CORBA協(xié)議定義了GIOP(general inter－ORB protocol)作為其互協(xié)作的基本框架， 但GIOP只是抽象概念定義，不能直接應(yīng)用于ORB間的通信。IIOP是基于TCP/IP的GIOP具體實現(xiàn)，軟件框架中，客戶端應(yīng)用與系統(tǒng)服務(wù)器的通信，以及機(jī)器人工作單元與系統(tǒng)服務(wù)器的通信都是基于IIOP的。

2系統(tǒng)中間件的設(shè)計

圖3、4中的服務(wù)器的設(shè)計是兩層結(jié)構(gòu)，而在文獻(xiàn)[1，4~7，9]中的服務(wù)器的設(shè)計都是單層結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計是因為應(yīng)用對實時性要求高，如文獻(xiàn)[6]中所論述，在中間件系統(tǒng)中有很多因素導(dǎo)致惡劣的實時性能，包括用戶響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、CORBA協(xié)議處理、CORBA服務(wù)處理、顯示處理等。如果所有13部機(jī)器人的工作負(fù)載以及多個用戶的請求處理全部集中于系統(tǒng)主服務(wù)器，則系統(tǒng)主服務(wù)器就會成為整個系統(tǒng)性能的瓶頸。

為解決此問題，如圖4所示，由于具體機(jī)器人的行為和控制方式都相對固定，針對每部機(jī)器人都配置了一臺本地工控PC，設(shè)立了CORBA環(huán)境，并開發(fā)了本地服務(wù)程序，專門處理機(jī)器人的具體操作。這樣系統(tǒng)主服務(wù)器可以專注于高級的綜合任務(wù)和事務(wù)，如作業(yè)調(diào)度、遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、作業(yè)仿真、系統(tǒng)日志、客戶請求處理等。

系統(tǒng)主服務(wù)器通過RM(robot manager)與機(jī)器人單元交互，每個機(jī)器人在系統(tǒng)主服務(wù)器的實時POA(real－time portable object adapter，RTPOA)內(nèi)都駐留著相應(yīng)的RM，如圖6所示。RM是主服務(wù)器和本地機(jī)器人的雙重代理，主服務(wù)器只與代表機(jī)器人的RM交互，不去考慮機(jī)器人的具體實現(xiàn)；本地機(jī)器人也只與自己的RM交互，不必考慮其駐留的主服務(wù)器的設(shè)計和實現(xiàn)。

服務(wù)器的兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計分離了應(yīng)用中的低級具體操作和概念級的高層次服務(wù)模型，因此提升了系統(tǒng)的升級擴(kuò)展能力和可移植性。當(dāng)在系統(tǒng)中增加或移除機(jī)器人時，只需要配置對應(yīng)的RM模塊而不影響系統(tǒng)整體的概念設(shè)計和實現(xiàn)架構(gòu)，不必考慮機(jī)器人具體的操作和相關(guān)編碼實現(xiàn)。當(dāng)主服務(wù)器移植到新的硬件服務(wù)器或運行新的操作系統(tǒng)時，底層的與機(jī)器人相關(guān)的應(yīng)用程序都不必在新環(huán)境下重新編譯或者改動。

在軟件框架中采用了CORBA標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)包括：

a)命名服務(wù)(naming service)。它是基本的CORBA標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，用于提供透明的中間件服務(wù)定位。服務(wù)器端駐留并維護(hù)著服務(wù)對象，并以字符串名字進(jìn)行廣播；客戶端可以通過解析這些字符串名字獲取所需要的服務(wù)對象引用，進(jìn)而取得所需要的服務(wù)，而不必考慮服務(wù)對象和服務(wù)器的位置和具體實現(xiàn)。

b)實時日志服務(wù)(RT event based log service)。因為要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，采用CORBA的實時日志服務(wù)為系統(tǒng)提供日志能力。在本框架中，用戶的所有操作、請求、響應(yīng)以及系統(tǒng)內(nèi)所有的事件、異常、運行狀態(tài)均可以配置到日志記錄中。這些被記錄的信息可用來在研發(fā)階段調(diào)試系統(tǒng)框架，在現(xiàn)場應(yīng)用中幫助評估系統(tǒng)性能，協(xié)助機(jī)器人的示教訓(xùn)練和編碼，跟蹤用戶操作等。

c)實時事件服務(wù)(real－time event service)。它使CORBA系統(tǒng)可以交換命名的事件，沒有傳統(tǒng)的客戶與服務(wù)器的界定，而只是發(fā)出事件的供應(yīng)者和訂制并接收事件的消費者，事件在供應(yīng)者和消費者之間的專有事件頻道內(nèi)傳輸。實時事件服務(wù)給應(yīng)用實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)交換帶來了極大的靈活性，如當(dāng)機(jī)器人的空間位姿或作業(yè)狀態(tài)發(fā)生變化，就會產(chǎn)生相應(yīng)的事件，該事件通過事件頻道傳送到訂制事件的消費者，消費者可以是任意的CORBA對象。

從遠(yuǎn)端分布的多個用戶來實時地監(jiān)控多個機(jī)器人要求系統(tǒng)能較好地利用多線程處理并發(fā)。RTCORBA提供了線程池(thread pool)機(jī)制來支持服務(wù)器的多線程編程，實現(xiàn)服務(wù)器資源預(yù)分配。當(dāng)服務(wù)器啟動時，一組線程可以被靜態(tài)地創(chuàng)建，這些線程隨時準(zhǔn)備被綁定到客戶的請求，可以防止系統(tǒng)運行時線程創(chuàng)建/釋放引起的過載，并通過配置服務(wù)器的線程數(shù)量來確保系統(tǒng)的性能[1]。

為避免低優(yōu)先級的請求消耗掉所有線程，線程池可以進(jìn)一步按優(yōu)先級劃分成若干“泳道”。這樣可以分組管理線程，同時保證了高優(yōu)先級的請求不被錯過或延誤。劃分不是絕對的，當(dāng)高優(yōu)先級請求所屬“泳道”無線程可分配時，可以從低優(yōu)先級“泳道”借線程使用。在軟件框架（圖6）中，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，對應(yīng)于每一個服務(wù)對象(RM、系統(tǒng)日志等)的RTPOA就被創(chuàng)建，同時相應(yīng)的線程池也被創(chuàng)建，劃分成若干“泳道”并處于工作待命狀態(tài)。

針對RM，線程池按高、中、低三個優(yōu)先級劃分“泳道”。一般的作業(yè)操作屬于低級別請求；狀態(tài)改變相關(guān)的事件屬于中級別請求；碰撞和緊急停機(jī)屬于最高優(yōu)先級。這樣在正常情況下，機(jī)器人可執(zhí)行規(guī)定的作業(yè)并及時將自身狀態(tài)事件發(fā)布出去，并保證在緊急情況下停止工作和動作。

3機(jī)器人IDL文檔的設(shè)計和定義

軟件框架定義了一組機(jī)器人對象和接口作為全部工作的基礎(chǔ)，所有對象和接口都以CORBA IDL定義，確保語言和平臺的無關(guān)性[8]。這些接口在服務(wù)器端具體實現(xiàn)，以伺服程序(servant)方式體現(xiàn)[4]。

根據(jù)CORBA IDL定義的對象和接口，圖7展示了C++ CORBA服務(wù)器端和不同客戶端的實現(xiàn)。在客戶端，開發(fā)者和用戶不必了解對象和接口是如何實現(xiàn)的，只要能獲得對象引用，針對可用的接口編程實現(xiàn)客戶端的事務(wù)和應(yīng)用就行了。開發(fā)者可以選擇VC++/ACE/TAO、BC++/VisiBroker、Java/RMI等開發(fā)套件；在服務(wù)器端，軟件框架采用Linux/C++/ACE/TAO開發(fā)。

就現(xiàn)場應(yīng)用而言，機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可歸納到如下范疇：

a)異常。異常處理機(jī)制是任何軟件框架不可或缺的，CORBA自身定義了30個標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)異常，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需要，框架又自定義了若干異常，確保可以詳盡獲取并管理系統(tǒng)狀態(tài)。

b)事件。軟件框架采用CORBA的實時事件服務(wù)作為消息交換的主要方式。在事件定義中主要包含兩項，惟一標(biāo)志事件類型的ID及用來承載數(shù)據(jù)和消息的CORBA Any類數(shù)據(jù)。

c)作業(yè)操作。機(jī)車底盤維護(hù)流程包括十幾項作業(yè)，每個作業(yè)由CORBA sequence序列來定義。

d)機(jī)器人運動學(xué)。每個機(jī)器人運行特定的作業(yè)，每個作業(yè)實際上是運動學(xué)動作或運動學(xué)矩陣的序列。序列內(nèi)的每個執(zhí)行點都是可編輯的，作業(yè)序列的本質(zhì)就是路徑規(guī)劃的過程。因此在本軟件框架中定義了相應(yīng)的對象和接口，如UP6的DH表述和正解、逆解。

e)輔助接口。每個機(jī)器人的控制器都有若干輔助函數(shù)或接口，如UP6的API可以協(xié)助機(jī)器人重置零位或與本地PC建立通信連接等。這些機(jī)器人本機(jī)API都被定義或映射到對應(yīng)的IDL定義中，這樣確保在系統(tǒng)中有全局統(tǒng)一的機(jī)器人控制接口描述。

系統(tǒng)開發(fā)采用不止一種機(jī)器人，所以按繼承關(guān)系來定義機(jī)器人對象，如圖8所示。除了機(jī)器人相關(guān)對象和接口的定義，還定義了RM、作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)日志等服務(wù)對象。

根據(jù)上述設(shè)計，下面給出軟件框架部分IDL定義:

事件結(jié)構(gòu)

struct sysEvent{

long eventID;

string eventMsg;

};

異常：機(jī)器人內(nèi)部自我碰撞

exception innerCollesion{};

異常：機(jī)器人與外部發(fā)生碰撞，包括機(jī)器人之間、機(jī)器人與工件、機(jī)器人與環(huán)境

exception outerCollesion{};

機(jī)器人類型：機(jī)械手、移動機(jī)器人

enum robotType{manipulator，mobile};

機(jī)器人采用的外部通信協(xié)議：RS－232 802無線Ethernet

enum commProtocol{RS，wireless，Ethernet};

機(jī)器人基本概況：品牌、制造商、供貨服務(wù)商、機(jī)器人型號、機(jī)器人類型、機(jī)器人編號、通信協(xié)議

struct RobotBasic{

stringbrand;

stringproducer;

stringvender;

stringmodel;

robotType robot_type;

shortrobot_num;

commProtocol comm_protocol;

};

速度類型：線速度，角速度

enum speedType{linear，angular};

機(jī)器人(末端)位姿

struct positionNormal{

double px; double py;

double pz; double nx;

double ny; double nz;

double ox; double oy;

double oz; double ax;

double ay; double az;

};

機(jī)器人狀態(tài)

typedef sequence〈positionNormal〉 status;

機(jī)器人運動控制點

struct controlPoint{

speedType speed_type;

double speedrate;

double duration;

positionNormal endPN;

};

機(jī)器人動作

interface robotAction{};

機(jī)器人作業(yè)點

struct jobPoint{

equence〈controlPoint〉 ctl_p;

robotAction act;

};

機(jī)器人作業(yè)序列

typedef sequence〈jobPoint〉 jobSeq;

機(jī)器人作業(yè)

struct robotJob{

jobSeq js;

string jobname;

string job_description;

};

工業(yè)機(jī)器人

interface iRobot{

readonly attribute RobotBasic basic_description; 

readonly attribute short degree_freedom;

attribute robotJob job;

attribute Status status;

void setSpeedTypeOf(in short ctrl_idx，

in speedType st，

in short flag);

void setSpeedRateOf(in short ctrl_idx，

in double speedrate，

in short flag);

};

4系統(tǒng)服務(wù)器的實現(xiàn)

在中間件應(yīng)用中，服務(wù)器端的實現(xiàn)主要是指服務(wù)對象的伺服程序?qū)崿F(xiàn)。一個伺服程序就是一組代碼集合，可被POA用來初始化服務(wù)對象，是服務(wù)對象標(biāo)志的服務(wù)的具體實現(xiàn)，可由C/C++、Java等多種語言編碼。

在機(jī)器人單元中，其主要工作是具體實現(xiàn)Motoman UP6和Pioneer的伺服程序及相關(guān)的接口；在系統(tǒng)主服務(wù)器中，其主要工作是實現(xiàn)UP6和Pioneer對應(yīng)的RM伺服程序、系統(tǒng)日志伺服程序、作業(yè)調(diào)度伺服程序和系統(tǒng)監(jiān)控伺服程序等。

5結(jié)束語

在國內(nèi)首次闡述了面向機(jī)車維護(hù)的基于中間件和虛擬現(xiàn)實的軟件框架的設(shè)計和實現(xiàn)。雖然軟件框架是為機(jī)車維護(hù)研發(fā)的，但也可以應(yīng)用于其他復(fù)雜分布式異構(gòu)環(huán)境。今后的工作將專注于多機(jī)器人復(fù)雜作業(yè)調(diào)度和移動機(jī)器人的傳感信息處理。

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