激光加工機(jī)器人通信協(xié)議設(shè)計(jì)

機(jī)器人目前應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。我們知道，機(jī)器人的指令需要我們來提供。目前，工業(yè)機(jī)器人的指令一般都是通過示教盒輸入的。示教盒提供了簡單的人機(jī)界面，可以幫助完成簡單的示教任務(wù)。但在許多應(yīng)用中，僅通過示教輸入是無法滿足要求的。在激光加工機(jī)器人系統(tǒng)中，要給機(jī)器人的指令多達(dá)幾萬條，而且指令的參數(shù)不能示教得到，是由其他測量系統(tǒng)提供的。在這種情況下，需要通過上位機(jī)給機(jī)器人控制器發(fā)送指令。這就需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。機(jī)器人指令有固定格式，機(jī)器人通信有其特殊性。為了保證通信的可靠性，提高通信效率，可根據(jù)機(jī)器人通信特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，并制作了專用的、更適合于工業(yè)應(yīng)用的上位機(jī)通信控件。

1 機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)

機(jī)器人控制器中最重要的是主控計(jì)算機(jī)。在激光加工機(jī)器人中，主控計(jì)算機(jī)采用基于PC總線S 104/486DX工業(yè)控制級嵌入式單板計(jì)
算機(jī)，其核心是AMD 80486 DX微處理器。主控計(jì)算機(jī)提供串行接口，可以和它進(jìn)行串口通信。主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息處理由機(jī)器人控制器操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VRTXsa來實(shí)現(xiàn)，它具有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)具有完善的任務(wù)管理機(jī)制。

2 激光加工機(jī)器人通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令來自通信系統(tǒng)。在我們的通信系統(tǒng)中，主要包括上位機(jī)應(yīng)用程序、串口控件、串口和機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)(下稱下位機(jī))。上位機(jī)應(yīng)用程序產(chǎn)生指令，通過控件訪問串行端口，將指令傳給下位機(jī)。下位機(jī)收到指令后，對指令進(jìn)行分析處理。對于下位機(jī)來說，這些指令分兩種:一種是解釋執(zhí)行指令，需要進(jìn)入命令隊(duì)列，排隊(duì)執(zhí)行，占用緩存;另一種是立即執(zhí)行指令，不需要進(jìn)入隊(duì)列，不占用緩存。對于解釋執(zhí)行指令，下位機(jī)收到后，把指令放入隊(duì)列后馬上返回應(yīng)答。對于立即執(zhí)行指令，先執(zhí)行該指令，然后才返回應(yīng)答。查詢指令屬于立即執(zhí)行指令，下位機(jī)除了返回命令在命令字外，還同時(shí)返回相應(yīng)的數(shù)值。上位機(jī)根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信的狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 通信協(xié)議

我們的激光加工機(jī)器人通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1)機(jī)器人只會(huì)按指令進(jìn)行工作，如果指令有問題，將會(huì)帶來不可預(yù)測的后果。所以對于我們的通信系統(tǒng)來說，可靠性、安全性是首要的。

2)機(jī)器人工作環(huán)境比較惡劣，各種干擾比較大。通信的抗干擾能力、錯(cuò)誤處理的能力非常重要。

3)為了提高加工效率，希望機(jī)器人能以較快的速度進(jìn)行工作。

為避免機(jī)器人出現(xiàn)“空指令”，通信速度要跟得上?；跈C(jī)器人通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，上位機(jī)和它進(jìn)行通信，必須滿足其特定的要求。我們采用如下的通信方式:

(1)主從方式。上位機(jī)為主機(jī)，下位機(jī)為從機(jī)。一般情況下，下位機(jī)不能主動(dòng)給上位機(jī)發(fā)送信息。只有上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)出指令后，下位機(jī)才能作出應(yīng)答。這樣通過上位機(jī)，我們就可以很好地控制整個(gè)通信過程。

(2)數(shù)據(jù)幀方式。采用數(shù)據(jù)幀的方式，有利于保證數(shù)據(jù)包的完整性，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理。在我們的通信系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)均采用相同的協(xié)議對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包。我們自己定義幀頭為eb 90 82，幀尾為9082，幀標(biāo)志為f0。另外規(guī)定，有效數(shù)據(jù)中若出現(xiàn)90，則雙寫90，用以區(qū)別幀尾中的900數(shù)據(jù)幀格式如下所示:

｛幀頭一幀標(biāo)志一通信數(shù)據(jù)一幀尾一校驗(yàn)字}

另外，在我們的通信過程中，要處理各種不同類型的數(shù)據(jù)，包括char' , short型、float型、byte型等，在有效數(shù)據(jù)前加入標(biāo)識符來識別它們。如f0 06表示6個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，f3 05表示5個(gè)字符。
(3)校驗(yàn)和。這是一種簡單而實(shí)用的校驗(yàn)方式。在上位機(jī)發(fā)送指令前，自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)的和，并將它附在數(shù)據(jù)幀的末端，一起發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計(jì)算一次數(shù)據(jù)和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否發(fā)生了變異。

(4)自動(dòng)重發(fā)機(jī)制。下位機(jī)在接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將會(huì)把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時(shí)向上位機(jī)返回錯(cuò)誤碼報(bào)錯(cuò)。這時(shí)候，該幀數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。如果把重發(fā)任務(wù)交給應(yīng)用程序，程序?qū)⒆兊帽容^復(fù)雜。我們把這個(gè)任務(wù)交給控件，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)重發(fā)功能。在控件內(nèi)部，當(dāng)新的數(shù)據(jù)發(fā)送之前，都將數(shù)據(jù)做一個(gè)備份，直到確認(rèn)接收正確了，才將其消除。如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤，將其再次發(fā)出去。

(5)應(yīng)答方式。在通信過程，下位機(jī)對上位機(jī)每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應(yīng)答。上位機(jī)根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信狀態(tài)，然后進(jìn)行下一步動(dòng)作。為了安全起見，規(guī)定只有在確認(rèn)前一包指令正確應(yīng)答之后，才可以發(fā)下一包指令。對于非查詢指令(包括全部解釋執(zhí)行指令和部分立即執(zhí)行指令)，下位機(jī)收到后，返回該指令的命令字;對于查詢指令，除了返回命令字之外，同時(shí)還返回查詢數(shù)據(jù)，如機(jī)器人的位置、各軸轉(zhuǎn)角等。如果下位機(jī)檢測到數(shù)據(jù)幀有問題，如無幀頭、校驗(yàn)和錯(cuò)等，則返回相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。上位機(jī)在發(fā)送指令的時(shí)候，同時(shí)記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機(jī)返回的應(yīng)答后，將其中的命令字與保留的命令字比較，如果一樣，則說明發(fā)送正確，可以發(fā)送下一條指令;反之，則說明指令發(fā)送有問題，根據(jù)錯(cuò)誤碼進(jìn)行錯(cuò)誤處理，并重發(fā)當(dāng)前指令包。指令的發(fā)送和應(yīng)答的接收過程如圖1所示。

(6)成組指令發(fā)送方式。由于機(jī)器人的運(yùn)行速度很快，為了能保證指令發(fā)送速度能跟上運(yùn)行速度，因此在一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)里同時(shí)發(fā)送了多條指令，而下位機(jī)只需應(yīng)答第一條指令。這樣就減少了應(yīng)答時(shí)間，提高了指令的發(fā)送速度。實(shí)際應(yīng)用中，我們采用7條指令一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，結(jié)果顯示，速度快了大約37。為了安全和處理方便，控件只允許解釋執(zhí)行指令成組發(fā)送，對于立即指令，只能發(fā)送單指令數(shù)據(jù)報(bào)。