激光加工機器人通信協(xié)議設計

機器人目前應用十分廣泛，在工業(yè)、科研、醫(yī)學等領域發(fā)揮了重要作用。我們知道，機器人的指令需要我們來提供。目前，工業(yè)機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界面，可以幫助完成簡單的示教任務。但在許多應用中，僅通過示教輸入是無法滿足要求的。在激光加工機器人系統(tǒng)中，要給機器人的指令多達幾萬條，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，需要通過上位機給機器人控制器發(fā)送指令。這就需要實現(xiàn)機器人控制器和上位機的實時通信。機器人指令有固定格式，機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)機器人通信特點，制定了相應的通信協(xié)議，并制作了專用的、更適合于工業(yè)應用的上位機通信控件。

1 機器人主控計算機

機器人控制器中最重要的是主控計算機。在激光加工機器人中，主控計算機采用基于PC總線S 104/486DX工業(yè)控制級嵌入式單板計
算機，其核心是AMD 80486 DX微處理器。主控計算機提供串行接口，可以和它進行串口通信。主控計算機內部的信息處理由機器人控制器操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)采用了實時多任務操作系統(tǒng)VRTXsa來實現(xiàn)，它具有很好的實時性和可靠性，同時具有完善的任務管理機制。

2 激光加工機器人通信系統(tǒng)結構

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

3 通信協(xié)議

我們的激光加工機器人通信系統(tǒng)具有以下特點:

1)機器人只會按指令進行工作，如果指令有問題，將會帶來不可預測的后果。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、錯誤處理的能力非常重要。

3)為了提高加工效率，希望機器人能以較快的速度進行工作。

為避免機器人出現(xiàn)“空指令”，通信速度要跟得上。基于機器人通信系統(tǒng)自身的特點，上位機和它進行通信，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。上位機為主機，下位機為從機。一般情況下，下位機不能主動給上位機發(fā)送信息。只有上位機給下位機發(fā)出指令后，下位機才能作出應答。這樣通過上位機，我們就可以很好地控制整個通信過程。

(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，便于進行數(shù)據(jù)接收和處理。在我們的通信系統(tǒng)中，上位機和下位機均采用相同的協(xié)議對通信數(shù)據(jù)進行打包、解包。我們自己定義幀頭為eb 90 82，幀尾為9082，幀標志為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:

｛幀頭一幀標志一通信數(shù)據(jù)一幀尾一校驗字}

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)前加入標識符來識別它們。如f0 06表示6個浮點數(shù)，f3 05表示5個字符。
(3)校驗和。這是一種簡單而實用的校驗方式。在上位機發(fā)送指令前，自動計算數(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。下位機在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計算一次數(shù)據(jù)和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗和進行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否發(fā)生了變異。

(4)自動重發(fā)機制。下位機在接收到錯誤的數(shù)據(jù)幀時，將會把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時向上位機返回錯誤碼報錯。這時候，該幀數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。如果把重發(fā)任務交給應用程序，程序將變得比較復雜。我們把這個任務交給控件，可以很輕松的實現(xiàn)重發(fā)功能。在控件內部，當新的數(shù)據(jù)發(fā)送之前，都將數(shù)據(jù)做一個備份，直到確認接收正確了，才將其消除。如果發(fā)現(xiàn)有錯誤，將其再次發(fā)出去。

(5)應答方式。在通信過程，下位機對上位機每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應答。上位機根據(jù)返回的應答判斷通信狀態(tài)，然后進行下一步動作。為了安全起見，規(guī)定只有在確認前一包指令正確應答之后，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，同時還返回查詢數(shù)據(jù)，如機器人的位置、各軸轉角等。如果下位機檢測到數(shù)據(jù)幀有問題，如無幀頭、校驗和錯等，則返回相應的錯誤碼。上位機在發(fā)送指令的時候，同時記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機返回的應答后，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)錯誤碼進行錯誤處理，并重發(fā)當前指令包。指令的發(fā)送和應答的接收過程如圖1所示。

(6)成組指令發(fā)送方式。由于機器人的運行速度很快，為了能保證指令發(fā)送速度能跟上運行速度，因此在一個數(shù)據(jù)報里同時發(fā)送了多條指令，而下位機只需應答第一條指令。這樣就減少了應答時間，提高了指令的發(fā)送速度。實際應用中，我們采用7條指令一個數(shù)據(jù)報，結果顯示，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。