工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)

本文比較了機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)器人兩種工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

以上分類是根據(jù)應(yīng)用對(duì)象，此外，市面上更多的是通用型運(yùn)動(dòng)控制器，即控制非標(biāo)設(shè)備的。

1控制器底層方案

1.1機(jī)械臂類

機(jī)械臂類的控制器發(fā)展較早，相對(duì)成熟，先來看看現(xiàn)有的控制系統(tǒng)底層方案。

1.2移動(dòng)機(jī)器人類

移動(dòng)機(jī)器人的控制器屬于較新的方向，工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人有AGV、無人駕駛工程機(jī)械等形式，控制系統(tǒng)底層方案如下：

1.3對(duì)比

機(jī)械臂對(duì)精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的要求較高，因此計(jì)算量大、周期短，比移動(dòng)機(jī)器人一般要高1到2個(gè)量級(jí)。移動(dòng)機(jī)器人一般對(duì)同步精度要求不高，其配置相對(duì)較低。

機(jī)械臂一般工作于固定的區(qū)域，其控制器通常放置于機(jī)箱內(nèi)，因此防護(hù)等級(jí)不高，一般是IP20。

移動(dòng)機(jī)器人由于需要經(jīng)常運(yùn)動(dòng)，尤其是室外工程機(jī)械，要考慮防水防塵，其防護(hù)等級(jí)較高，一般是IP67。

2CoDeSys介紹

2.1CoDeSys的組成

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多的機(jī)器人控制軟件都是借助CoDeSys實(shí)現(xiàn)的，那么什么是CoDeSys呢？

CoDeSys是一款付費(fèi)的軟PLC開發(fā)軟件，簡單來說，它包括兩部分：Development System和Runtime System。Development System就是用來編程的軟件界面（就像Visual Studio、Eclipse等軟件，也可以稱為IDE），設(shè)計(jì)、調(diào)試、編譯PLC程序都在IDE中進(jìn)行，這部分是用戶經(jīng)常打交道的；

PLC程序?qū)懞昧艘院?，就要把它轉(zhuǎn)移到硬件設(shè)備中運(yùn)行?？墒沁@時(shí)生成的PLC程序自己是無法運(yùn)行的，它還要在一定的軟件環(huán)境中才能工作，這個(gè)環(huán)境就是Runtime System，這部分是用戶看不到的。

二者安裝的位置通常不同，IDE一般安裝在開發(fā)電腦上，Runtime System則位于起控制作用的硬件設(shè)備上，二者一般使用網(wǎng)線連接，程序通過網(wǎng)線下載到Runtime中運(yùn)行。

CoDeSys在國內(nèi)知名度不高，但是在歐洲久負(fù)盛名，尤其在工業(yè)控制領(lǐng)域。我們上面提到的很多機(jī)器人公司都使用了它的產(chǎn)品，例如KEBA、倍福、固高，還有幾乎所有的移動(dòng)機(jī)器人控制器廠家。

設(shè)計(jì)CoDeSys的3S公司只賣軟件，不賣硬件。硬件電路需要由用戶自己設(shè)計(jì)，3S公司負(fù)責(zé)將Runtime System移植到客戶的硬件上。Runtime System可以裸跑在硬件上，但一般是運(yùn)行在操作系統(tǒng)上，配置操作系統(tǒng)也是客戶的工作。

如果客戶要求，CoDeSys的IDE可以定制，換成客戶的logo和外觀，這就是為什么你會(huì)發(fā)現(xiàn)不同廠家的開發(fā)平臺(tái)長得不一樣，但風(fēng)格又比較相似。

當(dāng)然，用戶也可以使用其它IDE，例如倍福就使用了微軟的Visual Studio，而背后的編譯器等內(nèi)核以及函數(shù)庫仍然采用CoDeSys的方案。

CoDeSys的Runtime具有強(qiáng)大的適應(yīng)性，支持絕大多數(shù)的操作系統(tǒng)和硬件芯片架構(gòu)。

2.2CoDeSys Runtime原理

CoDeSys的IDE部分是免費(fèi)的，你可以從其官網(wǎng)下載體驗(yàn)體驗(yàn)。真正收費(fèi)的是運(yùn)行系統(tǒng)Runtime System。

CoDeSys在設(shè)計(jì)之初就將功能劃分為若干組件模塊，例如總線協(xié)議棧、可視化界面、運(yùn)動(dòng)控制、安全控制等等，用戶可以像搭積木一樣選購必需的模塊搭建自己的系統(tǒng)，最后形成一個(gè)定制化的控制軟件平臺(tái)。

一些初次接觸軟PLC的用戶可能對(duì)這部分感到陌生，但其實(shí)這種設(shè)計(jì)方式非常普遍。舉幾個(gè)例子，MATLAB Simulink的實(shí)時(shí)工具箱（Real-Time）就是這樣的工作方式，用戶在Simulink的圖形界面里通過拖拽設(shè)計(jì)控制程序，然后下載到真實(shí)的硬件中跑，可以在這里了解。

還有像倍福也是這樣的使用方式，用戶在TwinCAT IDE里進(jìn)行編程，然后下載到倍福的控制器中，控制器里面其實(shí)已經(jīng)預(yù)裝了一個(gè)Runtime。西門子的STEP7也是一款I(lǐng)DE，它的PLC中也存在一個(gè)配套的Runtime。

用戶編寫的PLC程序就像我們電腦里的應(yīng)用程序，它運(yùn)行在Runtime System上，而Runtime System又運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上。

Runtime System位于應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間。所以可以被稱為中間件（Middleware）。在機(jī)器人軟件里面，處于同樣地位的還有ROS、OROCOS（Real-Time Toolkit）等等。

機(jī)器人的控制，像數(shù)控機(jī)床一樣，對(duì)實(shí)時(shí)性有要求，因此我們選擇的操作系統(tǒng)最好是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。遺憾的是，我們經(jīng)常用的操作系統(tǒng)都不是實(shí)時(shí)的，例如Windows和Linux。但幸運(yùn)的是，有人對(duì)它們進(jìn)行了改造，也就是加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁。

常用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：VxWorks、QNX、Windows RTX、Xenomai、RT Linux、Linux RTAI、WinCE、μC/OS、SylixOs等等?？紤]到Windows和Linux這兩款操作系統(tǒng)的用戶較多，CoDeSys推出了相應(yīng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)?。≧TE），為用戶免去了改造的煩惱。

想了解更多的CoDeSys Runtime信息可以閱讀官方的文檔[Math Processing Error] [1][2][1][2]。

2.3CoDeSys的缺點(diǎn)

CoDeSys給我們開發(fā)控制器帶來了便利，省去了從零開始的麻煩，但是依靠CoDeSys這類商業(yè)軟件開發(fā)自己的控制器產(chǎn)品也存在不少的缺點(diǎn)：

（1）底層算法不公開

CoDeSys集成的運(yùn)動(dòng)控制組件、總線協(xié)議棧都是封裝好的，用戶無法了解其內(nèi)部細(xì)節(jié)，也無法針對(duì)自己的具體需求進(jìn)行定制優(yōu)化，只能簡單地調(diào)用。用戶只能依附于CoDeSys平臺(tái)，難以形成自己的核心技術(shù)。

（2）功能有限，難以擴(kuò)展

現(xiàn)在以機(jī)器視覺、人工智能、自動(dòng)駕駛等為代表的新技術(shù)突飛猛進(jìn)，而工業(yè)控制上的很多技術(shù)仍然停留在20年前。以移動(dòng)機(jī)器人中的導(dǎo)航場景為例，基于視覺或者激光的導(dǎo)航方法需要采集大量的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，其中涉及相當(dāng)多的矩陣計(jì)算。

而現(xiàn)在PLC只能進(jìn)行落后的一維數(shù)字計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。與人工智能圈子喜歡開源的風(fēng)格正好相反，工業(yè)控制圈子相互封閉，誰都不肯開放自家的函數(shù)庫，開源函數(shù)庫極少（OSCAT），就連最基本的濾波算法、矩陣計(jì)算都要自己從頭開始寫。而且，國際標(biāo)準(zhǔn)提供的基本函數(shù)太過有限，完全無法適應(yīng)新的場景，急需擴(kuò)展。

（3）難以更新

由于完全依賴CoDeSys，客戶自己產(chǎn)品硬件的升級(jí)換代需要重新定制移植，導(dǎo)致成本增加。

3開源方案

目前存在一些開源的控制系統(tǒng)方案，例如Beremiz、Orocos、OpenPLC、OpenRTM、ORCA。

開發(fā)機(jī)器人控制器是個(gè)繁重的工作，要明確一系列性能要求，首先是實(shí)時(shí)性。

實(shí)時(shí)性對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來說一般是必須的，對(duì)于服務(wù)或娛樂機(jī)器人則未必。一般人很容易錯(cuò)把“實(shí)時(shí)性”理解為處理或者響應(yīng)速度快，但是其實(shí)“實(shí)時(shí)性”表示時(shí)間上的“確定性”，例如實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）中的中斷響應(yīng)或者進(jìn)程切換的延遲時(shí)間一定是在一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)。

我們常用的操作系統(tǒng)（Windows、Linux）都不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)O(shè)計(jì)的初衷是吞吐量，不能保證每個(gè)事件都在一定范圍內(nèi)得到處理。再比如，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的傳輸速度比實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)快多了，但是它也卻不是實(shí)時(shí)的，因?yàn)樗瑯硬荒鼙ＷC數(shù)據(jù)在給定的時(shí)間內(nèi)完成傳輸。

理解實(shí)時(shí)性不太難，可是機(jī)器人哪些的任務(wù)需要實(shí)時(shí)運(yùn)行呢？如何根據(jù)機(jī)器人的性能要求確定程序運(yùn)行的時(shí)間間隔呢（是1ms還是10ms）？實(shí)時(shí)性取決于硬件還是軟件呢？

如何根據(jù)實(shí)時(shí)性選擇具體的軟硬件呢（該選擇ARM還是X86、Linux RTAI還是VxWorks）？網(wǎng)上缺少這方面的深入討論，各大機(jī)器人廠家也不會(huì)公開自己的測試和試驗(yàn)結(jié)果，似乎這方面主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)。

這里我也只能提供幾個(gè)指標(biāo)，目前工業(yè)機(jī)械臂的控制周期是1ms左右，性能較高的伺服驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)的控制周期可以達(dá)到125[Math Processing Error] mu sμs。

PLCopen定義了伺服和運(yùn)動(dòng)控制的一些標(biāo)準(zhǔn)，包括編程語言、運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)函數(shù)塊（Function Block）、輸入輸出接口的參數(shù)等[Math Processing Error] ^{[3]}

[3]具體的實(shí)現(xiàn)代碼細(xì)節(jié)，這個(gè)是由各個(gè)廠家提供的。

審核編輯 ：李倩