本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種機器人點到點運動控制方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

robotoperatingsystem(ros)是開源的機器人操作系統(tǒng)，可以為機器人開發(fā)者提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的、開源的編程框架。但是ros目前不支持實時線程操作。openrobotcontrolsoftware(orocos)也是一種開源的機器人控制軟件編程框架，它的特點是支持實時的線程操作，但是它的開放性，通用性沒有ros好。

因此，機器人點到點運動是機器人一種重要運動方式，目前在一些應(yīng)用方案中，在ros上采用orocos，但現(xiàn)有技術(shù)方案在搭建的架構(gòu)上，不能構(gòu)成一個完整的機器人控制器軟件，在執(zhí)行點到點運動時，無法充分利用ros和orocos的特性，系統(tǒng)開發(fā)成本高，控制效果差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對上述系統(tǒng)開發(fā)成本高技術(shù)問題，提供一種機器人點到點運動控制方法，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

一種機器人點到點運動控制方法，包括：

接收控制端傳送的點到點運動指令；對點到點運動指令進(jìn)行解析，獲取目標(biāo)關(guān)節(jié)角度和點到點運動需要的時間；

獲取機械臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角度、當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度；根據(jù)點到點運動需要的時間計算機械臂由當(dāng)前關(guān)節(jié)角度運行到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度經(jīng)過的第一軌跡，以及分別計算機械臂在所述點到點運動需要的時間內(nèi)由當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度降為0所經(jīng)過的第二軌跡和第三軌跡；根據(jù)第一軌跡、第二軌跡和第三軌跡得到點到點的運動軌跡；

計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

一種機器人點到點運動控制系統(tǒng)，包括：總控模塊、算法模塊和通信管理模塊；

所述總控模塊，用于接收控制端傳送的點到點運動指令；

所述算法模塊，用于對點到點運動指令進(jìn)行解析，獲取目標(biāo)關(guān)節(jié)角度和點到點運動需要的時間；獲取機械臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角度、當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度；根據(jù)點到點運動需要的時間計算機械臂由當(dāng)前關(guān)節(jié)角度運行到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度經(jīng)過的第一軌跡，以及分別計算機械臂在所述點到點運動需要的時間內(nèi)由當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度降為0所經(jīng)過的第二軌跡和第三軌跡；根據(jù)第一軌跡、第二軌跡和第三軌跡得到點到點的運動軌跡；以及計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；

所述通信管理模塊，用于將機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

上述機器人點到點運動控制方法和系統(tǒng)，在接收到控制端的點到點運動指令后，計算點到點的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)，通過設(shè)備通信軟件將上述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的點到點運動控制過程；該技術(shù)方案可以構(gòu)成一個完整的機器人點到點運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的機器人點到點運動控制方法流程圖；

圖2是機器人點到點運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是總控模塊執(zhí)行算法流程圖；

圖4是算法模塊執(zhí)行算法流程圖；

圖5是算法模塊執(zhí)行算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；

圖6是一應(yīng)用實例的機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模型；

圖7是基于ros和orocos的搭建的軟件架構(gòu)圖；

圖8是控制器狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖；

圖9是設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的機器人點到點運動控制方法的實施例。

本發(fā)明實施例中，所述點到點運動，是指機械臂的關(guān)節(jié)角從當(dāng)前關(guān)節(jié)角度θ0運動到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1的運動過程。

s10，接收控制端傳送的點到點運動指令；對點到點運動指令進(jìn)行解析，獲取目標(biāo)關(guān)節(jié)角度和點到點運動需要的時間；

上述步驟中，可以利用預(yù)設(shè)的通信協(xié)議并以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收點到點運動指令；例如，所述點到點運動指令包括目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1和點到點運動需要的時間t；

在此過程中，可以是操作者通過人機交互界面生成點到點運動指令，該指令無需傳遞參數(shù)；通過預(yù)設(shè)的通信協(xié)議，如基于iec(theinternetcommunicationsengine，互聯(lián)網(wǎng)通信引擎)開發(fā)的通信協(xié)議，以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式從人機交互界面接收點到點運動指令。

在一個實施例中，根據(jù)所述點到點運動指令異步觸發(fā)點到點運動執(zhí)行函數(shù)并通過第一接口調(diào)用點到點運動規(guī)劃函數(shù)；其中，所述第一接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口。

s20，獲取機械臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角度、當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度；根據(jù)點到點運動需要的時間計算機械臂由當(dāng)前關(guān)節(jié)角度運行到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度經(jīng)過的第一軌跡，以及分別計算機械臂在所述點到點運動需要的時間內(nèi)由當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度降為0所經(jīng)過的第二軌跡和第三軌跡；根據(jù)第一軌跡、第二軌跡和第三軌跡得到點到點的運動軌跡；

在一個實施例中，在調(diào)用所述點到點運動規(guī)劃函數(shù)后，讀取機械臂當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度，并根據(jù)所述關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度和點到點運動指令計算點到點的運動軌跡；其中，所述關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度包括關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度；

進(jìn)一步地，調(diào)用點到點運動規(guī)劃函數(shù)前，所述點到點運動執(zhí)行函數(shù)判斷控制器狀態(tài)機是否為準(zhǔn)備(ready)狀態(tài)；若是，通過orocos的operationalcaller方法調(diào)用所述點到點運動規(guī)劃函數(shù)，并將控制器狀態(tài)機切換為執(zhí)行點到點運動(active.ptp)狀態(tài)；若否，則拒絕執(zhí)行此次指令；其中，所述控制器狀態(tài)機的可被改變狀態(tài)、并讀取狀態(tài)，設(shè)有初始化、指令等待、指令執(zhí)行、中斷和使能對應(yīng)的狀態(tài)。

進(jìn)一步地，在調(diào)用點到點運動規(guī)劃函數(shù)后，根據(jù)所述點到點運動規(guī)劃函數(shù)執(zhí)行點到點運動規(guī)劃流程，并檢查控制器狀態(tài)機是否為執(zhí)行點到點運動狀態(tài)；若是，執(zhí)行所述計算點到點的運動軌跡的步驟，否則，退出執(zhí)行流程。

作為實施例，所述計算點到點的運動軌跡的方法，可以包括如下：

(1)獲取機械臂當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度θ0、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度

(2)從點到點運動指令包括獲取目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1和點到點運動需要的時間t；

(3)根據(jù)所述關(guān)節(jié)角度θ0、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度以及目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1，將機械臂關(guān)節(jié)目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度設(shè)為0，確定點到點的運動軌跡；

作為實施例，所述點到點的運動軌跡可以表示如下：

s(t)＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵

a0＝θ0

式中，t是運行時間；ai，i＝1,…,5是系數(shù)。

s30，計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

具體的，可以計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，通過第二接口將目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度發(fā)送給設(shè)備通信軟件轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站；所述第二接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口；

在一個實施例中，所述計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度的步驟，可以包括如下：

(1)根據(jù)所述點到點的運動軌跡計算任意時刻t時的關(guān)節(jié)角位置θt。、角速度。和角加速度

進(jìn)一步地，所述計算公式可以表示如下：

θt＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵

式中，任意時刻t時的關(guān)節(jié)角位置θt。、角速度。和角加速度

(2)根據(jù)點到點運動需要的時間t，調(diào)用所述計算公式計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度。

進(jìn)一步地，計算目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度的步驟可以包括如下：

(a)在機械臂開始運動后，由0開始每隔設(shè)定時間τ統(tǒng)計機械臂的運動時間tn；τ＝1/f，f表示刷新頻率；

即由零開始統(tǒng)計時間，按照刷新率不斷計算機械臂各個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；上述實施例中，一般情況下，所述τ為1毫秒；

(b)若所述運動時間滿足：tn≤at，每隔設(shè)定時間τ依據(jù)所述計算公式分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；一般情況下，所述a＝70％；

(c)若運動時間tn滿足：at＜tn＜t，將標(biāo)志位更改為過渡狀態(tài)，將控制器狀態(tài)機狀態(tài)設(shè)定為準(zhǔn)備狀態(tài)；

進(jìn)一步地，在過渡狀態(tài)下，若有新指令輸入，則啟動過渡運動規(guī)劃；若沒有新指令輸入，則每隔設(shè)定時間依據(jù)所述計算公式分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，并發(fā)送給設(shè)備通信軟件；

(d)若運動時間tn滿足：tn≥t，點到點運動結(jié)束，將標(biāo)志位更改為等待狀態(tài)。

上述實施例的技術(shù)方案，可以利用orocos的實時輸入/輸出接口，通過設(shè)定通信協(xié)議以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收點到點運動指令，啟動點到點運動指令觸發(fā)函數(shù)，調(diào)用機器人運動規(guī)劃的點到點運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)計算點到點的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)，通過設(shè)備通信軟件將上述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的點到點運動控制過程；該技術(shù)方案可以進(jìn)行控制指令的接收、解析，算法調(diào)用、執(zhí)行，參數(shù)實時計算和傳輸?shù)裙δ埽梢詷?gòu)成一個完整的機器人點到點運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。另外結(jié)合了控制器狀態(tài)機和標(biāo)志位的應(yīng)用，實現(xiàn)對算法處理過程的優(yōu)化控制，進(jìn)一步提高了控制效果。

針對于機器人點到點運動控制方法，本發(fā)明提供了該控制方法對應(yīng)的機器人點到點運動控制系統(tǒng)，

參考圖2所示，圖2是機器人點到點運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括：總控模塊、算法模塊和通信管理模塊；

所述總控模塊，用于接收控制端傳送的點到點運動指令；

所述算法模塊，用于對點到點運動指令進(jìn)行解析，獲取目標(biāo)關(guān)節(jié)角度和點到點運動需要的時間；獲取機械臂的當(dāng)前關(guān)節(jié)角度、當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度；根據(jù)點到點運動需要的時間計算機械臂由當(dāng)前關(guān)節(jié)角度運行到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度經(jīng)過的第一軌跡，以及分別計算機械臂在所述點到點運動需要的時間內(nèi)由當(dāng)前關(guān)節(jié)角速度和當(dāng)前關(guān)節(jié)角加速度降為0所經(jīng)過的第二軌跡和第三軌跡；根據(jù)第一軌跡、第二軌跡和第三軌跡得到點到點的運動軌跡；以及計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；

所述通信管理模塊，用于將機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

作為實施例，所述總控模塊可以通過第一接口與算法模塊進(jìn)行通信連接，算法模塊通過第二接口與通信管理模塊進(jìn)行通信連接，所述第一接口、第二接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口；

所述總控模塊利用預(yù)設(shè)的通信協(xié)議并以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收點到點運動指令；在接收到所述點到點運動指令后，異步觸發(fā)點到點運動執(zhí)行函數(shù)并通過第一接口調(diào)用算法模塊的點到點運動規(guī)劃函數(shù)；

所述算法模塊在調(diào)用所述點到點運動規(guī)劃函數(shù)后，讀取機械臂當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角加速度，并計算點到點的運動軌跡；計算機械臂各個關(guān)節(jié)在所述點到點運動軌跡上運行的各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，通過第二接口將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度發(fā)送給通信管理模塊；

所述通信管理模塊將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

上述實施例的技術(shù)方案，利用orocos的實時輸入/輸出接口，總控模塊通過設(shè)定通信協(xié)議以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收點到點運動指令，啟動點到點運動指令觸發(fā)函數(shù)，調(diào)用算法模塊的機器人運動規(guī)劃的點到點運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)計算點到點的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)，通信管理模塊將上述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的點到點運動控制過程；該技術(shù)方案可以進(jìn)行控制指令的接收、解析，算法調(diào)用、執(zhí)行，參數(shù)實時計算和傳輸?shù)裙δ埽梢詷?gòu)成一個完整的機器人點到點運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

作為實施例，總控模塊執(zhí)行算法流程，可以參考圖3所示，圖3是總控模塊執(zhí)行算法流程圖；具體如下：

1)操作者通過人機交互界面生成點到點運動指令，指令的內(nèi)容，包括目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1，運動需要的時間t。

2)點到點運動指令通過通信協(xié)議，以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式從人機交互界面發(fā)送給總控模塊。

3)指令到達(dá)總控模塊后，會異步觸發(fā)點到點運動執(zhí)行函數(shù)。該函數(shù)首先判斷控制器狀態(tài)機是否為ready狀態(tài)。若不是ready狀態(tài)，則拒絕執(zhí)行此次指令。

4)若控制器狀態(tài)機是ready狀態(tài)，則執(zhí)行如下操作：

a)則通過orocos的operationalcaller方法調(diào)用算法模塊的點到點運動規(guī)劃函數(shù)，并且傳遞指令參數(shù)。

b)將控制器狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.ptp狀態(tài)。

5)判斷控制器狀態(tài)機是否重新變?yōu)閞eady狀態(tài)。若是ready狀態(tài)，則本次運動完成。

作為實施例，算法模塊執(zhí)行算法流程，可以參考圖4所示，圖4是算法模塊執(zhí)行算法流程圖；具體如下：

1)點到點運動規(guī)劃函數(shù)被總控模塊調(diào)用，開始執(zhí)行點到點運動規(guī)劃流程。

2)檢查控制器狀態(tài)機是否為active.ptp狀態(tài)，若不是則退出。

3)讀取機械臂當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度θ0，關(guān)節(jié)角速度關(guān)節(jié)角加速度采用五次多項式方法，生成點到點運動軌跡。

該方法的原理如下：

點到點的運動軌跡表示如下：

s(t)＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵(1)

式中，t是運行時間；ai,i＝1,…,5是系數(shù)。

由于已知機械臂當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度θ0，關(guān)節(jié)角速度關(guān)節(jié)角加速度以及目標(biāo)關(guān)節(jié)角度θ1。并將目標(biāo)的關(guān)節(jié)角速度和角加速度設(shè)為0。則可求得系數(shù)：

然后就可以根據(jù)以下公式計算出任意時刻t時的關(guān)節(jié)角位置θt。，角速度。，角加速度

θt＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵(3)

4)將運動時間tn記為0。參考圖5所示，圖5是算法模塊執(zhí)行算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；將算法模塊的狀態(tài)標(biāo)志位設(shè)為運動狀態(tài)。

5)算法模塊的updatehook()函數(shù)檢測到狀態(tài)標(biāo)志位為運動狀態(tài)后，且運動時間tn不超過運動時長t的70％：

a)每隔1毫秒依據(jù)公式(3)、(4)、(5)分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度。

b)將機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，發(fā)送給通信管理模塊。

6)若運動時間tn滿足：0.7t＜tn＜t:

a)將算法模塊的標(biāo)志位更改為過渡狀態(tài)。

b)將控制器狀態(tài)機狀態(tài)設(shè)定為ready狀態(tài)。

c)若有新指令輸入，則啟動過渡運動規(guī)劃。

d)若沒有新指令輸入，則每隔1毫秒依據(jù)公式(3)、(4)、(5)分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度。并將機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，發(fā)送給通信管理模塊。

7)若運動時間tn滿足：tn≥t:

a)本次點到點運動結(jié)束。

b)將算法模塊的標(biāo)志位更改為等待狀態(tài)。

所述通信管理模塊，可以進(jìn)一步用于讀取機器人電機的狀態(tài)信息，根據(jù)機器人運動模型計算機器人機械臂的狀態(tài)信息，將機器人的狀態(tài)信息通過第三接口反饋給總控模塊，將機器人的狀態(tài)信息通過第二接口反饋給算法模塊；其中，所述電機的狀態(tài)信息包括位置、速度和力矩等；所述機械臂的狀態(tài)信息包括關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度、末端位姿、末端線速度、末端角速度、末端線加速度和末端線加速度等。

為了更加清晰本發(fā)明的實施例的技術(shù)方案，下面闡述采用本發(fā)明的硬件和軟件環(huán)境應(yīng)用實例：

參考圖6所示，圖6是一應(yīng)用實例的機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模型，在機器人控制器的搭建軟件架構(gòu)，運行于linux操作系統(tǒng)，該linux主機可以是x86架構(gòu)的pc機，或者arm芯片嵌入式架構(gòu)的開發(fā)板，總控模塊接入控制端的人機交互界面的控制指令。

linux主機可以安裝如下軟件：安裝xenomai或者rtai或者rtpreempt的實時內(nèi)核補丁；安裝ros，orocos，rfsm等軟件。

參考圖7所示，圖7是基于ros和orocos的搭建的軟件架構(gòu)圖；在控制過程中，操作系統(tǒng)上運行總控模塊、算法模塊和通信管理模塊。

1、對于總控模塊：

(1)總控模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建ros的package，記為ec_control_system，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，記為ec_control_system_component。

在ec_control_system_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對模塊的輸入，輸出接口進(jìn)行定義。

其中輸入的接口包括：

①通信管理模塊傳入的診斷數(shù)據(jù)；

②通信管理模塊傳入的狀態(tài)反饋信息：包括電機運行狀態(tài)等等；

③控制器狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①控制器狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給控制器狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法設(shè)置函數(shù)調(diào)用接口。

第一，設(shè)置事件報告的回調(diào)函數(shù)：對事件報告處理請求進(jìn)行響應(yīng)，包括生成錯誤的時間戳，事件級別等信息，并將事件信息，發(fā)送給人機交互界面顯示。

第二，設(shè)置警報設(shè)置的回調(diào)函數(shù)：依據(jù)診斷信息，判斷是否生成警報。比如，位置，速度，加速度是否超限等等。

第三，設(shè)置各種運動規(guī)劃的控制指令觸發(fā)函數(shù)，這些函數(shù)將對算法模塊的相應(yīng)響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義總控模塊的屬性，將總控模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_control_system_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

b)通過ice開發(fā)的通信協(xié)議建立與人機交互界面的通信連接，調(diào)用通信協(xié)議提供的動態(tài)異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用(rpc)方法，對人機交互界面發(fā)起的控制指令進(jìn)行響應(yīng)的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行綁定。該回調(diào)函數(shù)，首先根據(jù)ice(theinternetcommunicationsengine，互聯(lián)網(wǎng)通信引擎)提供的遠(yuǎn)程過程異步調(diào)用方法傳入的第一個參數(shù)，判斷調(diào)用類型，然后依據(jù)此類型選擇調(diào)用相應(yīng)運動規(guī)劃的運動指令觸發(fā)函數(shù)。

(3)對于ec_control_system_component的cleanuphook()成員函數(shù)，為了使得該函數(shù)在總控模塊結(jié)束運行時，實現(xiàn)自動調(diào)用，還可以設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)調(diào)用ice開發(fā)的通信協(xié)議接口，關(guān)閉與人機交互界面的通信連接。

(4)對于控制器狀態(tài)機，參考圖8所示，圖8是控制器狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖；可以設(shè)置init、ready、fault、active.recovery、active.halt、active.hands、active.tozero、active.ptp、active.line、active.circle、active.stop共十一個狀態(tài)，分別代表初始化、等待指令輸入、恢復(fù)、暫停、手動示教、回到原點、點到點運動、直線運動、圓弧運動、急停狀態(tài)。其中，active.recovery、active.halt、active.hands、active.tozero、active.ptp、active.line、active.circle、active.stop這八個狀態(tài)組成一個active狀態(tài)的集合，active的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，對八個子狀態(tài)均有效。例如，給八個狀態(tài)中的任一個，寫入“e_ready”事件，將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ready狀態(tài)(即等待指令輸入狀態(tài))。

另外，還可以使用lua語言，編寫總控模塊的啟動文件，該啟動文件設(shè)置為執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載模塊進(jìn)行運行；

b)定義模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對模塊的屬性進(jìn)行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將總控模塊的輸入、輸出接口和算法模塊和通信管理模塊的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行總控模塊，總控模塊將先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按預(yù)設(shè)刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

2、對于算法模塊：

算法模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建ros的package，記為ec_control_loop，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，記為ec_control_loop_component。

(1)在ec_control_loop_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)算法模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對輸入，輸出接口進(jìn)行定義。

其中輸入的接口包括：

①通信管理模塊傳入的電機運行數(shù)據(jù)；

②通信管理模塊傳入的診斷數(shù)據(jù)；

③設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)；

④控制器狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①電機控制指令數(shù)據(jù)，輸出給設(shè)備通信模塊；

②設(shè)備狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給設(shè)備狀態(tài)機；

③控制器狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給控制器狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法設(shè)置函數(shù)調(diào)用接口，設(shè)置事件報告的接口：該接口將觸發(fā)總控模塊的事件報告處理函數(shù)設(shè)置各種運動規(guī)劃的返回原點指令響應(yīng)函數(shù)。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義算法模塊的屬性，算法模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_control_loop_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

b)檢查電機運行數(shù)據(jù)通道是否有數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理。

(3)對于ec_control_loop_component類的updatehook()成員函數(shù)，設(shè)置該函數(shù)在算法模塊運行時，按照用戶設(shè)定的頻率實時運行(如設(shè)為100hz)，可以設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)讀取控制器狀態(tài)機狀態(tài)；

b)根據(jù)控制器狀態(tài)機的不同狀態(tài)，執(zhí)行不同操作：

ⅰ、如果是點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，急停，回到原點狀態(tài)。此時，執(zhí)行如下操作：

如果指令緩沖區(qū)的控制指令個數(shù)小于20個，則將所有指令一起發(fā)送給通信管理模塊，并將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)改變?yōu)榈却噶钶斎霠顟B(tài)；

如果指令緩沖區(qū)的控制指令個數(shù)大于20個，則取指令隊列末尾的20個，發(fā)送給通信管理模塊；

ⅱ、如果是暫停狀態(tài)，則什么也不做。

(4)對于ec_control_loop_component類，定義點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，急停，回到原點，暫停，恢復(fù)等函數(shù)調(diào)用接口，實現(xiàn)如下：

a)點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，回到原點的函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否處于等待指令輸入狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

讀取電機的當(dāng)前的狀態(tài)信息；

依據(jù)電機的當(dāng)前狀態(tài)，分別調(diào)用點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，回到原點的運動規(guī)劃，并將生成的電機控制指令保存到指令緩沖區(qū)；

將控制器狀態(tài)機設(shè)為相應(yīng)的狀態(tài)。比如點到點運動回調(diào)函數(shù)，則將控制器狀態(tài)機設(shè)為點到點運動狀態(tài)。

b)暫停函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否是點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，回到原點等狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊進(jìn)行處理；

記錄當(dāng)前控制器狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)，并將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀和顟B(tài)。

c)恢復(fù)函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否是暫停狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀和Ｇ暗臓顟B(tài)。

d)急停函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

ⅰ、檢查控制器狀態(tài)機是否是點到點運動，直線運動，圓弧運動，手動示教，回到原點等狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

ⅱ、讀取電機的當(dāng)前的狀態(tài)信息；

ⅲ、將電機控制指令緩沖區(qū)清零；

ⅳ、調(diào)用速度規(guī)劃運動規(guī)劃，讓電機以最短時間，速度降為0，并將生成的電機控制指令保存到指令緩沖區(qū)。

(5)使用lua語言，編寫算法模塊的啟動文件，設(shè)置為執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載算法模塊；

d)定義算法模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對算法模塊的屬性進(jìn)行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將算法模塊的輸入，輸出接口和總控模塊和通信管理模塊的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行算法模塊，算法模塊先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按設(shè)置的刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

3、對于通信管理模塊：

通信管理模塊可以通過linux主機minicom中的ttyacm0與arm開發(fā)板通信，可以在該arm開發(fā)板上運行一個canopen主站協(xié)議，該主站協(xié)議可以設(shè)置一個指令緩存區(qū)，最多可以存儲25個指令。

通信管理模塊可以利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法與機器人算法模塊和總控模塊進(jìn)行通信。

利用rfsm軟件建立設(shè)備狀態(tài)機，對通信管理模塊的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行控制。

通信管理模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法與設(shè)備狀態(tài)機連接，可改變設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)，并讀取狀態(tài)。

(1)通信模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建為ros的package，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，創(chuàng)建一個orocos的實時模塊，記為ec_component。

在ec_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)通信管理模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對輸入，輸出接口進(jìn)行定義。

其中輸入的接口包括：

①算法模塊傳入的控制指令數(shù)據(jù)；

②設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①診斷數(shù)據(jù)，輸出至算法模塊和總控模塊；

②電機運行數(shù)據(jù)和機械臂狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出給算法模塊；

③狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給設(shè)備狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法定義函數(shù)調(diào)用接口，通信管理模塊定義事件報告的接口，通過該接口觸發(fā)總控模塊的事件報告處理函數(shù)。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義通信管理模塊的屬性，通信管理模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊進(jìn)行處理；

b)電機驅(qū)動初始化：

ⅰ、通過ttyacm0與電機驅(qū)動器建立通信；

ⅱ、電機指令緩沖隊列清空；

ⅲ、電機使能，如果使能成功，則進(jìn)行下一步，否則退出；

ⅳ、讀取電機的位置，計算機器人的機械臂當(dāng)前狀態(tài)，包括關(guān)節(jié)角度，機械臂末端位姿；

c)機械臂狀態(tài)初始化：

依據(jù)電機位置，判斷機械臂是否需要執(zhí)行回零運動。如果機械臂任一關(guān)節(jié)角度與零度相差大于0.01度，則執(zhí)行回零運動，調(diào)用點到點運動規(guī)劃，對回零運動進(jìn)行規(guī)劃。

d)改變設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)：

如果機器人的機械臂需要執(zhí)行回零運動，則控制設(shè)備狀態(tài)機保持init狀態(tài)不變；否則，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為active.nominal。

(3)對于ec_component的updatehook()成員函數(shù)，設(shè)置該函數(shù)在通信管理模塊運行時，以用戶設(shè)定的頻率實時運行(如設(shè)為1khz)，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)讀取設(shè)備狀態(tài)機狀態(tài)；

b)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)機的不同狀態(tài)，執(zhí)行不同操作：

ⅰ、如果是init狀態(tài)，執(zhí)行機械臂的回零運動。此時，執(zhí)行如下操作：

讀取系統(tǒng)的時鐘，依據(jù)回零運動軌跡規(guī)劃結(jié)果，計算該時刻電機的運動指令，并將該單條運動指令發(fā)送給canopen主站。

如果運動已回零成功，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.nominal，并將該事件報告給總控模塊。

ⅱ、如果是active.nominal狀態(tài)。此時，執(zhí)行如下操作：

從控制指令數(shù)據(jù)的輸入通道中，讀取控制指令，并存儲到電機指令緩沖隊列中。

讀取canopen主站指令緩沖區(qū)的現(xiàn)有指令個數(shù)，如果小于10個，則一次性從電機指令緩沖隊列中取出15個運動指令發(fā)送給canopen主站。如果電機指令緩沖隊列的指令個數(shù)小于15個，則一次性全部發(fā)送給canopen主站。

ⅲ、如果是active.recovery狀態(tài)。此時，通信管理模塊處于恢復(fù)狀態(tài)。

此時，依據(jù)診斷信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，若恢復(fù)成功，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.nominal。并將該事件報告給總控模塊。

若恢復(fù)不成功，給狀態(tài)機發(fā)送“e_fault”事件，狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為fault狀態(tài)，將該事件報告給總控模塊，并直接退出updatehook()。

ⅳ、如果是active.halt狀態(tài)。此時，模塊處于暫停狀態(tài)，執(zhí)行如下操作：檢查控制指令數(shù)據(jù)的輸入通道中是否有新的指令，若有新指令，則讀取控制指令，并存儲到電機指令緩沖隊列中。

ⅴ、如果是active.hands狀態(tài)。此時，模塊處于手控模式，執(zhí)行如下操作：

讀取系統(tǒng)的時鐘，依據(jù)運動軌跡規(guī)劃結(jié)果，計算該時刻電機的運動指令，并將該單條運動指令發(fā)送給canopen主站。

ⅵ、如果是fault狀態(tài)，則直接退出updatehook()。

c)讀取電機狀態(tài)，根據(jù)機械臂的模型計算機械臂關(guān)節(jié)以及末端運動狀態(tài)信息，并通過輸出數(shù)據(jù)通道，傳遞給算法模塊與總控模塊；

d)檢查控制主站是否有錯誤報告信息，如果有錯誤信息，則將診斷信息傳遞給算法模塊與總控模塊。向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_recovery”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.recovery狀態(tài)、并將該事件報告給總控模塊。

(4)對于ec_component的cleanuphook()成員函數(shù)，該函數(shù)在模塊結(jié)束運行時，自動調(diào)用，設(shè)置執(zhí)行如下操作：

a)關(guān)閉電機驅(qū)動使能；

b)關(guān)閉電機驅(qū)動連接。

(5)參考圖9所示，圖9是設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖。共有init(初始化)、fault(中斷)，active.recovery(恢復(fù))、active.hands(手動示教)、active.halt(暫停)、active.nominal(運轉(zhuǎn))六個狀態(tài)。active.recovery、active.hands、active.halt、active.nominal四個狀態(tài)組成一個active(使能)的狀態(tài)集合，active的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，對四個子狀態(tài)均有效。

(6)使用lua語言，編寫該模塊的啟動文件，該啟動文件設(shè)置執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載通信管理模塊；

b)定義通信管理模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對通信管理模塊的屬性進(jìn)行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將通信管理模塊的輸入，輸出接口和總控模塊和算法模等的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行通信管理模塊，通信管理模塊先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按定義好的刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

對于上述總控模塊、算法模塊和通信管理模塊，設(shè)置為當(dāng)運行后，如果用戶需要中途停止該模塊，同時按鍵盤的ctrl鍵與d鍵。

綜上實施例，基于ros和orocos，利用orocos的實時性特點，保證軟件程序的實時性能；充分利用ros的開放性，基于ros、orocos開發(fā)的總控模塊、算法模塊和通信管理模塊進(jìn)行實時通信，共同構(gòu)成一個完整的機器人控制器軟件；進(jìn)一步建立了控制器狀態(tài)機和設(shè)備狀態(tài)機，從而實現(xiàn)對總控模塊、通信管理模塊的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行有效管理。

通過orocos的rtt：：input,rtt：：output方法建立總控模塊、算法模塊和通信管理模塊的數(shù)據(jù)輸入、輸出通道，通過orocos的operationalcaller方法定義函數(shù)調(diào)用接口，通過orocos的properties方法定義總控模塊、算法模塊和通信管理模塊的屬性。因此，保證了總控模塊、算法模塊和通信管理模塊之間的獨立性與解耦性。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。