一種新型輕型機械臂示教軟件架構設計

王祺+王堃+張璇琛

摘 要：傳統輕型六軸機械臂控制軟件構架一般包括控制器、示教器、canopen通訊等部分。傳統控制器是一個程序，機械臂動作參數設定時，一個動作信號需要一組控制器參數，大量的數據收發常常引發主線程與其它線程爭奪資源而出現死鎖，導致主線程不能繼續往下執行，出現卡死。對此，使用Qt軟件及C++語言，開發了一款新型六軸機械臂控制軟件。采用TCP/IP通訊實現程序間通訊，多線程提高單個程序效率，以QTcpSocket類進行網絡編程。通過控制輕型六軸機械臂運動實驗，證明此控制軟件有效、穩定，能解決界面卡死問題，具有良好的可擴展性與可移植性，界面友好，運行流暢。

關鍵詞：TCP/IP通訊；圖形界面卡死；QTcpSocket

DOIDOI：10.11907/rjdk.172360

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0124-04

0 引言

圖1是六軸輕型機械臂控制系統。控制軟件安裝在控制器里，示教器是控制器外的觸屏。控制器和示教器連在一起是低配的平板電腦，運算和儲存要求不高。PCAN又叫做PCAN-USB，是一個CAN轉USB接口，通過它可以將CAN網絡上的報文通過USB接口傳輸到PC上，通過相關軟件查看CAN報文。PCAN的另一端連接控制器CAN卡，CAN卡與六軸機械臂相連。使用Qt編寫程序，語言為C++。

1 界面卡死原因

“界面卡死”是計算機系統由于過量的進程資源消耗，使圖形界面進程受到影響的現象。控制程序較為復雜的指令有發送和接收報文、進行運動軌跡規劃等。用戶通過示教器的圖形界面發出指令，在進行稍微復雜的處理時就會有延遲，使得界面（GUI）卡死。對此進行改進，將控制器的程序拆分為兩個，如圖2所示。一個程序是用戶界面程序（GUI），稱為RH-LBR，負責收集用戶指令，另一個程序Communication_APP專門負責收集下位機發來的報文，以及通過GUI指令向下位機發送指令。這樣耗時的處理都由Communication_APP來處理，用戶交互界面RH-LBR不會被卡死。兩個程序之間的通訊模式為TCP/IP。

2 建立TCP通訊

下面分別介紹RH_LBR和Communication_APP這兩個程序里負責通訊的類。CIRT_LBR_GUI類定義RH_LBR程序的GUI，有信號與槽函數和ControllerSocket類互通消息。ControllerSocket類定義TCP里的用戶端類。Communication_APP程序里有TcpTransaction類，主要定義TCP里的服務器端，見圖3。

在RH_LBR程序的ControllerSocket類中，重要函數如下：①void ControllerSocket：：connectToController（）建立TCP連接；②void ControllerSocket：：readMessage（）接收Communication_APP這個程序發來的信息，會有對應的sendMessage函數在Communication_APP程序里；③void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）傳輸信息，使Communication_APP可以接收到信息。

在Communication_APP程序的TcpTransaction類中，重要函數有：①void TcpTransaction：：sessionOpened（）。TCP通信的網絡配置槽函數；②void TcpTransaction：：readMessage（）。獲取用戶程序發送的全部報文，并解析后通過信號發送給子線程：HS_Interface；③void TcpTransaction：：sendMessage（const QString & Message）。通過本函數將需要發送ControllerSocket類的信息發送出去。

2.1 RH_LBR用戶界面程序兩個主要類

RH_LBR程序里有兩個主要類：CIRT_LBR_GUI和ControllerSocket類。

在CIRT_LBR_GUI類中用信號與槽函數調用ControllerSocket類中的startTCPConnection（）函數，建立TCP連接。

void CIRT_LBR_GUI：：initTCPConnection（）

{

開始新建socket的線程和socket的對象

TCPConnectionThread=new QThread；

controllerSocket=new ControllerSocket；

controllerSocket->moveToThread（TCPConnectionThread）；

下一行代碼表示用GUI界面的信號函數觸發ControllerSocket類的TCP連接函數：

connect（this，SIGNAL（startTCPConnection（）），controllerSocket，SLOT（startTCPConnection（）））；

下一行代碼表示ControllerSocket類的TCP連接結果反饋給GUI界面：

connect（controllerSocket，SIGNAL（socketConnectionResult（bool）），this，SLOT（getSocketConnectionResult（bool）））；

TCPConnectionThread->start（）；開始事件循環}endprint

下面是ControllerSocket類中定義的一些參數和槽函數。

QString ControllerSocket：：hostName="127.0.0.1"；TCP主機名，不是實際的，可自行設定

int ControllerSocket：：portNo=30001；TCP端口名

QTcpSocket*socket；

QDataStream dataInputStream；

ControllerSocket：：ControllerSocket（QObject*parent）：QObject（parent）

{socket=new QTcpSocket（this）；新建socket

connect（socket，SIGNAL（connected（）），this，SLOT（onConnected（）））；

connect（socket，SIGNAL（disconnected（）），this，SLOT（onDisconnected（）））；

connect（socket，SIGNAL（readyRead（）），this，SLOT（readMessage（）））；讀取socket發來的信息

}

void ControllerSocket：：startTCPConnection（）

{connectToController（）；}

void ControllerSocket：：connectToController（）

{socket->connectToHost（hostName，portNo）；

if（！socket->waitForConnected（））

{qDebug（）<<"can not connect to controller"； return；}

dataInputStream.setDevice（socket）；

dataInputStream.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；}

下面的readMessage（）函數表示接收Communication_APP這個程序發來的信息，會有對應的sendMessage函數在Communication_APP程序里。

void ControllerSocket：：readMessage（）

{std：：vectormessages；

bool committransaction=true；

while （committransaction && socket->bytesAvailable（）>0）{

dataInputStream.startTransaction（）；

QString message；

dataInputStream>>message；

committransaction=dataInputStream.commitTransaction（）；

if（committransaction）

{messages.push_back（message）；

parseMessage（message）；這個函數表示消息格式識別，具體代碼省略，這個函數會發送Q_EMIT信號函數給CIRT_LBR_GUI類}}}

void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）

這個writeBytes函數傳輸信息，使得Communication_APP程序可以接收到信息：

{QByteArray block；

QDataStream out（&block， QIODevice：：WriteOnly）；

out.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；

out<

qDebug（）<<"to server："<

if（socket->state（）==QAbstractSocket：：ConnectedState）

{socket->write（block）；

socket->flush（）；}}

2.2 Communication_APP TCP通訊服務器端程序

Communication_APP程序最重要是TcpTransaction類，下面介紹如何建立TCP通訊和信息傳遞。

QTcpServer*tcpServer（tcp通信的服務器）；QTcpSocket*tcpsocket（tcp通信的socket）；

QDataStream in；用于和驅動器通信的子線程；

HardSoft_Interface*HS_Interface；這是和硬件連接的類，負責向下位機發送報文，不詳細介紹。

QThread HS_Thread；管理HS_interface qthread類

TcpTransaction：：TcpTransaction（QWidget*parent）：QDialog（parent），statusLabel（new QLabel），tcpServer（Q_NULLPTR），HS_Interface（new HardSoft_Interface（）），HS_Thread（this）

{sessionOpened（）；TCP通信的網絡配置槽函數，具體代碼如下：

HS_Interface->moveToThread（&HS_Thread）；將HS_Interface移動到子線程

將信號與槽進行連接

QPushButton*quitButton=new QPushButton（tr（"Quit"））；

quitButton->setAutoDefault（false）；

connect（quitButton，&QAbstractButton：：clicked，this，&QWidget：：close）；

注意Initial函數表示每當一個新的客戶端連接上服務器后，不管前面的客戶端是否退出，應該delete之前的tcpsocket，而不只是修改服務器的tcpsocket指針指向：

connect（tcpServer，&QTcpServer：：newConnection，this，&TcpTransaction：：Initial）；

connect（quitButton，&QAbstractButton：：clicked，HS_Interface，&HardSoft_Interface：：Quit）；

onnect（HS_Interface，&HardSoft_Interface：：Exit，this，&TcpTransaction：：ExitHsInterface）；

connect（&HS_Thread，&QThread：：finished，this，&QWidget：：close）；HS_interface一旦退出，服務器也必須退出，頁面布局代碼忽略}

void TcpTransaction：：sessionOpened（）

{tcpsocket=Q_NULLPTR；

tcpServer=new QTcpServer（this）；

QString testipaddress（"127.0.0.1"）；非實際值，只是示例

int port=30001；

if（！tcpServer->listen（QHostAddress（testipaddress），port））{listen函數

QMessageBox：：critical（this，tr（"Communication Server"），

tr（"Unable to start the server：%1."）

.arg（tcpServer->errorString（）））；

close（）；

return；}}

Initial函數步驟：①如果有客戶連接到服務器，則delete以前的服務器tcpsocket，然后獲取新的客戶tcp指針；②連接上客戶端后，將readyread信號和readmessage槽函數進行連接（見下面部分代碼）；③將用戶指令通過信號與槽和HS_interface進行連接；④開啟HS_INTERFACE線程。

void TcpTransaction：：Initial（）

{如果客戶端退出，新客戶端連接到服務器，若原來的tcpsocket不被銷毀，可能會導致內存泄漏，所以刪除之前的tcpsocket

if（tcpsocket）

delete tcpsocket；

tcpsocket=tcpServer->nextPendingConnection（）；

connect（tcpsocket，&QIODevice：：readyRead，this，&TcpTransaction：：readMessage）；

in.setDevice（tcpsocket）；將DataStream和當前的tcpsocket綁定

in.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；設置DataStream的版本

將HS_interface發來的消息通過本線程發送給用戶APP，sendMessage詳細代碼：

connect（HS_Interface，SIGNAL（SendMessage（QString）），this，SLOT（sendMessage（QString）））；

將所有用戶發來的指令解析后發送給子線程：HS_Interface，由HS_Interface經過Pcan發送給can總線，從而和驅動器通信。

connect（this，SIGNAL（InitRobot（）），HS_Interface，SLOT（start（）））；初始化機器人

connect（this，SIGNAL（SetJointVel（const int&，const double&）），HS_Interface，SLOT（SetJointVel（const int&，const double&）））；等等，不一一列舉。

HS_Thread.start（）；}開啟子線程

下面的readMessage函數獲取用戶程序發送的全部報文，解析后通過信號發送給子線程：HS_Interface

void TcpTransaction：：readMessage（）

{

std：：vectormessages；

bool committransaction=true；

while（committransaction &&

tcpsocket->bytesAvailable（）>0）{

in.startTransaction（）；

QString message；

in>>message；

committransaction=in.commitTransaction（）；

if（committransaction）{

messages.push_back（message）；

int TcpExceptionCode；

MsgData messageData=parseMessage（message，TcpExceptionCode）；

檢查TCP通信獲得的字符串是否存在異常：

switch（TcpExceptionCode）{……

switch（messageData.type）{……

}}}}

通過sendMessage函數將需要發送的信息發送出去：

void TcpTransaction：：sendMessage（const QString&Message）

{

QByteArray block；

QDataStream out（&block，QIODevice：：WriteOnly）；

out.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；

out<

if（tcpsocket->state（）==QAbstractSocket：：ConnectedState）

{tcpsocket->write（block）；

tcpsocket->flush（）；}}

3 軟件架構改進

通過以上步驟，將耗時的程序以及與下位機通訊的程序都轉移為GUI界面卡死問題。pcan與can卡之間通訊不穩定，有很多超時現象，軟件架構改進方向是：控制器和can卡采用TCP直接通訊，不再借用pcan轉換，使控制系統更加穩定，見圖4。通過控制輕型六軸機械臂運動，證明此軟件有效，解決了界面卡死問題。

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