一種開放式工業機器人控制器的斷電保護和時序管理系統

王勝華 魏秀權 蔣啟祥

摘要：本文針對以PC為控制系統核心架構的開放式機器人系統，在外部主電源異常斷開、上電中對系統程序和數據保護的問題，設計并開發了斷電保護和時序管理系統。該系統可以在外部主電源斷電后由斷電保護電源持續提供電源供給，同時在再次上電后通過電源時序管理單元以及專門設計的時序控制邏輯來確保機器人控制系統的正常關閉和啟動。該系統提高了機器人控制系統的穩定性、可靠性，滿足用戶高效、高品質生產的需求。

關鍵詞：工業機器人;控制系統;斷電保護;時序管理

0? ? 前言

機器人控制系統中，開放式控制系統是目前國際上控制系統發展的趨勢[1]，在可擴展性、互操作性、可移植性等方面具有明顯的優勢。其中PC成為機器人控制器核心架構的首選，其具有成本低、開放性好、完備的軟件開發環境、豐富的軟件資源和良好的通訊功能[2-4]等優點。

在采用PC作為機器人控制系統核心架構的開放式系統中，機器人的作業程序和控制算法均是由機器人控制器安裝在PC中的操作系統來實現。在機器人作為產品應用于實際作業過程中，當機器人控制器的供電電源異常斷開時，操作系統和機器人程序會發生非正常關閉，極容易造成操作系統內數據的損壞，機器人重啟后將無法再繼續執行當前的作業，甚至無法再正常工作。

為了解決這一問題，在一些PC的應用中，則采用UPS電源來保持PC的持續工作和自動關機[5]。目前機器人廠商主要采用兩種方式來實現斷電保護，第一種方法是在機器人控制器中采用高速CMOS存儲器來實現斷電瞬間操作系統內數據的存儲，但是由于其存儲容量小，只能存儲部分重要數據，且成本高;第二種方法是在電源模塊中采用獨立的備用電池，在控外部斷電后繼續為操作系統供電以使其能進行數據存儲，但備用電池存在壽命短且易損壞等問題。

本文針對上述問題，設計并開發了一種基于PC的開放式機器人控制系統的斷電保護和時序管理系統。系統不僅具有斷電保護的電源，能實現關機后機器人控制器的電源供給，還具備電源時序管理單元以及時序管理邏輯對電源、機器人控制器以及機器人控制軟件進行時序管理，以保障機器人控制系統的穩定、可靠運行。

1 斷電保護和時序管理系統的設計

本文采用工業計算機（IPC）作為機器人控制器，如圖1所示，機器人的作業程序和參數存儲在標準的數據硬盤上，通過控制程序來規劃和實現機器人的具體作業。

在實際操作過程中，會出現正常的開、關機，異常的斷電、上電（異常開關機）以及關機后立即重新開機等情況。為保護機器人控制系統的軟件和數據，使得機器人控制器在上述情況中仍能正常工作，設計并開發了由具有斷電保護功能的電源、電源時序管理單元，以及相應的時序管理控制構成的系統，上述單元與控制器一同安裝于機器人控制柜中，如圖2所示。

2 斷電保護和電源時序管理單元設計

開發的控制系統由斷電保護電源在外部斷電時為機器人控制器持續供電，由電源時序管理單元控制電源和機器人程序的工作。

2.1 斷電保護電源

本文開發的電源模塊經主電路連接市電并將市電轉換后輸出至機器人控制器，電源模塊在主電路斷電后切換至斷電保護輸出狀態，持續為機器人控制器供電，實現斷電存儲。

電源模塊包括電源轉換電路、控制器電源模塊、網壓檢測模塊以及儲能模塊。電源轉換電路連接于主電路;控制器電源模塊連接于電源轉換電路且為機器人控制器供電;網壓檢測模塊連接于電源轉換電路以檢測電源轉換電路的輸入電壓，當電源轉換電路的輸入電壓低于設定閾值時，電源模塊輸出斷電觸發信號至電源時序管理單元，電源時序管理單元將該斷電觸發信號輸出至機器人控制器;儲能模塊連接于控制器電源模塊且在主電路正常供電工作時儲能，當主電路斷電時儲能模塊輸出能量以維持控制器電源模塊正常工作，控制器電源模塊為機器人控制器供電以使其基于斷電信號完成斷電存儲。

2.2 電源時序管理單元

電源時序管理單元包括電源判斷模塊、控制器判斷模塊以及時序控制模塊，如圖3所示。

電源判斷模塊在主電路斷電后再次上電時，判斷電源模塊的輸出狀態，如正常工作狀態、斷電保護輸出狀態等。

控制器判斷模塊判斷機器人控制器的狀態，包括開機、關機狀態。

時序控制模塊實時監測電源模塊狀態、機器人控制器內機器人軟件程序的狀態以及機器人控制器的斷電信號等，根據設計的時序進行關閉、啟動機器人控制器，并啟動內部機器人軟件程序。

3 機器人控制器時序管理邏輯

在機器人實際工作過程中可能遇到人為主動或意外的對機器人控制器斷電、上電，外部輸入電源、電源模塊、機器人控制器、機器人軟件程序可能出現多種狀態，如表1所示。

根據上述單元的各個狀態，對應于機器人實際工作時的情況，設計了機器人控制系統的時序管理邏輯。針對幾種常見的情況進行說明。

（1）正常關機。

正常關機時，外部輸入電壓斷電，電源模塊進入斷電保護輸出狀態，時序控制模塊收到斷電信號，并通知機器人軟件程序進行數據與程序保存工作，等收到軟件程序關閉信號后，再延時一定時間關閉機器人控制器。機器人正常關機后，外部電壓（VIN）、斷電保護電源電壓（VCPS）、關機信號（B）、機器人控制器狀態（VIPC）的變化如圖4所示。

（2）斷電后再上電。

機器人控制系統外部主電源斷電后再上電是一個需要專門分析處理的情況。對于機器人斷電后很長一段時間再上電，則可以認為是經歷了關機→關機完畢→再次開機這一過程。但當間隔時間較短時，會存在機器人軟件程序未關閉、機器人控制器未關閉等情況。因此通過時序控制模塊實時監測機器人控制狀態、機器人軟件程序狀態，確定了機器人控制系統的時序管理邏輯。核心控制流程示意如圖5所示。

在短時間內斷電再上電時，如機器人控制器已關閉，說明前次關機過程已完成，執行開機過程;如控制器未關閉，則說明前次關機的流程還未完成，進一步判斷機器人軟件程序是否關閉，等待其關閉后，延時關閉機器人控制器，再進入正常啟動過程。上述兩種情況的時序如圖6所示，其中A為機器人控制系統再啟動信號。

4 實驗驗證

針對所設計的斷電保護和時序管理系統分別進行實驗驗證。

（1）斷電保護。

分別在有、無斷電保護功能下關機，并相隔較長時間等待系統完全關閉后再打開，確認機器人運行的數據是否能夠妥善保存。

經重復測試發現，斷電保護功能能夠有效解決數據保存和文檔損壞的問題，如表2所示。

（2）時序管理系統。

在采用了斷電保護功能后，分別就有無時序管理進行實驗。分別間隔10 s、20 s、30 s、40 s進行斷電后再上電，考察是否能夠正常關機和再啟動。經測試，在無時序管理情況下，需要間隔至少30 s才能正常關機并啟動;而在時序管理系統控制下，無論關機、開機間隔時間多長，均可以正常地重啟機器人系統，同時確保機器人運行數據保存、機器人軟件程序關閉、IPC重啟、機器人控制軟件的重啟。

5 結論

以PC為控制系統核心架構的開放式機器人系統，在遇到外部主電源異常斷開時，會導致上電中對系統程序和數據保存出現問題。本文針對上述問題，設計并開發了一種基于PC的開放式機器人控制系統的斷電保護和時序管理系統。該系統可以在外部主電源斷電后持續提供電源供給，同時在再次上電后確保機器人控制系統的正常關閉和啟動，為后續結合機器人控制器、機器人程序軟件、電源及其控制單元等多模塊協同工作提供了保障，為進一步完善機器人控制系統的穩定性和可靠性提供了基礎，從而滿足用戶高效、高品質生產的需求。

參考文獻：

王天然，曲道奎.工業機器人控制系統的開放體系結構[J].機器人，2002，24（3）：256-261.

姚舜.工業機器人控制器實時多任務軟件設計與實現[D].湖南：東南大學，2017.

劉升鵬，葉樺，王丹.工業焊接機器人安全控制器的設計與實現[J].工業控制計算機，2009（10）：13-14.

王磊，洪廣懷，黃武波，等.工業機器人的斷電自保護方法和實現該方法的工業機器人[P].中國：201810467656.

2.

北大方正集團有限公司. 通信自檢方法、通信自檢系統、智能柜及服務器[P].中國：201710237052.4.