上世紀七十到九十年代，由于電子技術(shù)等的約束，工業(yè)控制系統還是以單片機等為主，整個(gè)軟件系統的規模不大。但是隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的快速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)控制系統都轉向了基于計算機操作系統的體系架構[1]，如何開(kāi)發(fā)設計大規模嵌入式計算機系統應用也成為了一個(gè)富有挑戰性的課題。隨著(zhù)智能制造和工業(yè)4.0的不斷發(fā)展，對機器人控制領(lǐng)域的系統軟件提出了更多的要求，現在的系統應當更加靈活，它需要面向可定制的客戶(hù)需求、面向不斷變化的市場(chǎng)需求等，所以對系統的柔性提出了更高的要求。按照柔性軟件系統的思想去設計研發(fā)工業(yè)機器人控制系統也應當成為未來(lái)的發(fā)展方向[2]。

對于機器人控制系統，柔性通常指如下一些方面：

系統的模塊應該能夠按照不同層次進(jìn)行分布部署，例如，按照線(xiàn)程、按照進(jìn)程、按照網(wǎng)絡(luò )等方式。同時(shí)，系統按照不同層次部署時(shí)，不同的模塊應該共享相同的通訊架構接口。

系統的業(yè)務(wù)應當已模塊的方式組織，這樣可以大化的重用已經(jīng)實(shí)現的業(yè)務(wù)內容。

可配置性是指可以對控制系統進(jìn)行多方面的配置，通常包含如下內容：系統結構配置，也就是模塊之間的耦合關(guān)系；系統功能配置，也就是選擇配置系統功能（算法）。

可移植性通常指應用的硬件無(wú)關(guān)、操作系統無(wú)關(guān)性，通過(guò)提供硬件抽象和操作系統的封裝，使得應用程序無(wú)需關(guān)注設備的底層。

每一個(gè)軟件工程項目都是持續演進(jìn)的，依賴(lài)于完善的文檔、單元測試框架和一致性的設計理念，使得軟件可以得以在初代開(kāi)發(fā)人員離開(kāi)后由后續開(kāi)發(fā)人員延續開(kāi)發(fā)。

綜合以上特性，本文給出了一種模塊化機器人控制系統的內涵和架構，并給出了模塊化的設計細節。

模塊化設計需要解決一系列的問(wèn)題，包括但不限于：

各模塊如何劃分功能；模塊化是如何實(shí)現柔性的；模塊間消息傳遞的粒度如何劃分。

模塊化的設計在不同的領(lǐng)域軟件中有不同的定義，通常認為模塊化架構的定義就是：模塊是向系統其他模塊提供廣義的服務(wù)的一個(gè)組件。對于機器人控制系統，模塊化主要有三個(gè)層面的意義：

模塊可以被替換，也就是一個(gè)模塊可以被提供相同服務(wù)的其他模塊替換。

模塊可以擴展，也就是一個(gè)模塊的設計應該可以實(shí)現各種特定的應用。

模塊設計不變，很多模塊可以共享相同的設計方法。

針對以上模塊化設計的要點(diǎn)，設計時(shí)需要考慮如下的一些關(guān)鍵問(wèn)題：

從軟件層面，架構設計和功能業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)是分離的，架構設計只進(jìn)行軟件框架的工作，而功能業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部分負責使用架構設計的框架進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的系統開(kāi)發(fā)。

機制和策略分離是軟件工程的重要設計理念。兩者的本質(zhì)區別就是如何實(shí)現一個(gè)功能和如何使用一個(gè)功能的區別。通常軟件開(kāi)發(fā)應當在設計階段盡可能的面向機制編程，而不要過(guò)渡的關(guān)注策略細節，否則會(huì )導致軟件在柔性和可維護性上發(fā)生問(wèn)題。

數據流指一個(gè)模塊與其他模塊產(chǎn)生的交互數據，執行控制是模塊內執行業(yè)務(wù)流。本條原則不是指數據流不能影響模塊內業(yè)務(wù)執行，而是指不能由數據流來(lái)主導模塊內的業(yè)務(wù)模型，這通常指：模塊間的通訊不應影響執行控制；模塊可能被重新配置。

模塊化架構的服務(wù)通常應當封裝操作系統的實(shí)現細節，這樣讓開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)注過(guò)多的操作系統底層實(shí)現。

提高軟件產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本是軟件開(kāi)發(fā)人員的迫切要求,軟件產(chǎn)品的模塊化和可復用性是滿(mǎn)足這一要求的唯一方法[3]?；谏瞎澲械拿枋?，本文所描述的系統實(shí)現如下架構層面中間層：

模塊中間層系統提供標準化的創(chuàng )建模塊方法。同時(shí)，模塊中間層可以為模塊指定操作系統相關(guān)的一些基本操作，例如創(chuàng )建線(xiàn)程、終止線(xiàn)程等。

類(lèi)型系統中間層為系統提供了構建結構化數據表示的方法，并且提供了若干種將類(lèi)型數據轉換為主流數據串行化框架（JSON、OpcUa）的方式。類(lèi)型系統是下述服務(wù)中間層、參數中間層等的基礎。

服務(wù)中間層系統為模塊間提供標準的服務(wù)調用機制，當模塊處于不同的層次時(shí)，例如，網(wǎng)絡(luò )間或者同一進(jìn)程中的不同線(xiàn)程，調用服務(wù)不用關(guān)注其背后的技術(shù)實(shí)現，服務(wù)中間層已經(jīng)按照表1所示進(jìn)行實(shí)現。

參數中間層為模塊參數修改、讀寫(xiě)提供了標準方法，這樣，所有模塊可以共享同一套參數機制。

模塊加載框架是終實(shí)現應用程序的重要框架、模塊加載框架可以設置哪些模塊需要加載、以何種方式加載，不同模塊之間的數據交互方式，模塊參數加載的方式等。

基于上述中間層，完成模塊化機器人控制系統的框架（中間件）部分。系統總體中間層設計思路如圖1所示。

由圖中所示，系統的日志系統、參數系統、數據類(lèi)型系統提供統一服務(wù)，且模塊的運行控制標準化，模塊間數據流和服務(wù)也采用統一的機制。

本部以雙通道機器人（一個(gè)控制器同時(shí)控制兩個(gè)獨立的機械臂，同時(shí)機械臂之間存在數據交互）控制為例，描述了機器人業(yè)務(wù)架構構成。系統總體框架如圖2所示。

圖中每個(gè)矩形框均為一個(gè)模塊，紅線(xiàn)內為實(shí)時(shí)系統部分，紫色模塊均為通訊模塊。Group1和Group2中的為單獨每個(gè)通道需要部署的模塊，這部分代碼實(shí)現可重用。

按照該結構可以實(shí)現代碼高可重用的雙通道機器人控制系統，系統柔性高，可擴展性強。

以下描述主要模塊的功能。

總線(xiàn)模塊提供總線(xiàn)設備數據讀寫(xiě)的驅動(dòng)服務(wù)。如前所述，模塊化使得相似功能的模塊只要提供相同的服務(wù)，則可以相互代替，針對機器人硬件總線(xiàn)選擇不同，還可以靈活的使用例如CanOpen總線(xiàn)模塊來(lái)代替Ethercat模塊。

該模塊提供如下服務(wù)：

·總線(xiàn)拓撲結構查詢(xún)服務(wù)。

·總線(xiàn)數據讀寫(xiě)服務(wù)。

·總線(xiàn)錯誤診斷服務(wù)。

關(guān)節控制模塊是系統控制關(guān)節運動(dòng)的模塊，提供各種和關(guān)節相關(guān)的服務(wù)：

·關(guān)節控制設置服務(wù)，包括關(guān)節驅動(dòng)模式、關(guān)節伺服上下使能等。

·關(guān)節狀態(tài)查詢(xún)服務(wù)，包括關(guān)節驅動(dòng)狀態(tài)、驅動(dòng)錯誤等數據讀取。

·關(guān)節運動(dòng)控制服務(wù)，包括各種單關(guān)節運動(dòng)、多關(guān)節同步運動(dòng)、工作空間運動(dòng)等服務(wù)。

可以看到針對雙通道，該關(guān)節組控制模塊共用同一套代碼，只需部署參數調整即可適配不同的機械臂硬件

IO控制模塊是系統控制外部IO的模塊，提供如下服務(wù)：

·獲取模擬量和數字量輸入。

·設置模擬量和數字量輸出。

安全控制器實(shí)現負責監控機器人的安全狀態(tài)，確保機器人的安全性。主要參考標準為ISO12100、ISO10218-1、ISO10218-2

本模塊通過(guò)一系列的參數配置，設置機器人的結構類(lèi)型、DH參數、關(guān)節限位等信息。

·獲取機器人結構類(lèi)型。

·獲取機器人DH參數。

·獲取機器人關(guān)節限位信息。

工業(yè)機器人通常通過(guò)示教編程方式進(jìn)行操作[4]，本模塊提供一系列和示教編程執行程序相關(guān)的服務(wù)，包括并不限于如下服務(wù)。

·執行機器人程序。

·停止機器人程度。

·單步執行機器人程序。

工業(yè)機器人通過(guò)安裝在機械臂末端的末端執行器執行任務(wù)，對于末端執行器，有包括末端執行器運動(dòng)學(xué)轉換、質(zhì)量、重心位置、慣量矩陣等一系列數據通過(guò)參數進(jìn)行配置。提供如下服務(wù)：

·末端執行器運動(dòng)學(xué)標定服務(wù)。

·末端執行器動(dòng)力學(xué)標定服務(wù)。

實(shí)現機器人控制系統的對外API，機器人示教器和外部第三方程序通過(guò)這些API和機器人系統交互數據。

·OpcUa模塊，負責提供系統的OpcUa標準通訊協(xié)議。

·SoftPLC模塊，負責提供系統的軟PLC業(yè)務(wù)。

系統還包括其它各種業(yè)務(wù)模塊，由于模塊化的設計，后續還可以添加例如針對碼垛、打磨、焊接等各種工藝模塊。

現代機器人控制系統對柔性、模塊化提出了諸多需求、根據軟件工程的基本原理和機器人控制系統的特征，本文給出了一種模塊化的機器人控制系統的設計方法和思路并進(jìn)行了實(shí)現。實(shí)現分為兩個(gè)部分，首先設計實(shí)現模塊化機器人控制系統的中間層框架，然后基于中間層框架開(kāi)發(fā)了業(yè)務(wù)系統。目前該系統已經(jīng)作為產(chǎn)品實(shí)際使用，實(shí)際使用證明該架構和系統柔性高、魯棒性強，是一種可以用于機器人控制系統的設計。