主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用

殷冰磊，董伯麟

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前對(duì)工業(yè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要研究有：(1)依托第三方內(nèi)核實(shí)現(xiàn)可拓展的工業(yè)機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)。高美原[1]等結(jié)合ROS和Linux CNC構(gòu)建了一個(gè)可配置的軟件架構(gòu)；畢魯雁[2]等采用強(qiáng)實(shí)時(shí)能力的RTX和具備豐富資源的工業(yè)計(jì)算機(jī)為平臺(tái)搭建了一個(gè)開放的可拓展的控制系統(tǒng)平臺(tái)。(2)以總線及以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)建立易擴(kuò)展的機(jī)器人控制軟件系統(tǒng)。王力宇[3]等采用EtherCAT總線技術(shù)簡化機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)通過采用組件與模塊化技術(shù)建立工業(yè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開放性結(jié)構(gòu)；曹波[4]等基于模塊化的思想將整個(gè)控制系統(tǒng)按功能進(jìn)行了子系統(tǒng)化；周偉花[5]研究了面向制造者和面向用戶的可重構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)器人系統(tǒng)上的應(yīng)用。(4)采用分層理論對(duì)機(jī)器人軟件系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分。陸偉[6]構(gòu)建的三層軟件架構(gòu)系統(tǒng)有效地避免了機(jī)器人在數(shù)據(jù)處理過程中的信息冗余問題；Fang Jian[7]等將機(jī)器人軟件系統(tǒng)分為交互層、決策層和物理層以提高軟件的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。

以上的軟件研究設(shè)計(jì)均是面向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)功能增加、系統(tǒng)行為變得復(fù)雜時(shí)，上層應(yīng)用對(duì)象數(shù)目急劇增加，對(duì)象之間和與底層組件之間的交互就會(huì)變得交錯(cuò)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)繁瑣和低效。

針對(duì)上述問題，基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)范式，提出主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型來構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的方法。主動(dòng)對(duì)象具有低耦合高聚合的特性，能夠降低應(yīng)用對(duì)象交互的復(fù)雜度，有效提高系統(tǒng)軟件的靈活性、可移植性和開放性。

1 主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型

主動(dòng)對(duì)象(Active Object，AO)來自建模統(tǒng)一語言(Unified Modeling Language，UML)，在UML規(guī)范里，一個(gè)主動(dòng)對(duì)象是“一個(gè)對(duì)象，它有自己的控制的線程”，以一種運(yùn)行到完成的方式來處理事件，和其他事件通過異步交換事件來通信[8]。簡單來說，主動(dòng)對(duì)象=狀態(tài)機(jī)+控制的線程+事件隊(duì)列。

1.1 行為繼承與面向?qū)ο?/h3>

繼承在軟件構(gòu)建過程中是基礎(chǔ)性的。在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)里，類繼承描述了對(duì)象類之間的關(guān)系，并對(duì)軟件的組織及代碼的重用極為重要。主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型則采用了一種行為重用的方法，被稱為行為繼承，如同Ultimate Hook模式[9]里所采用的差異化編程方式，應(yīng)用程序僅需實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)行為不同的部分。行為繼承使得主動(dòng)對(duì)象即使在建模系統(tǒng)復(fù)雜度增加的情況下，行為重用的機(jī)會(huì)也在增加，能夠有效地減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1.2 層次式狀態(tài)機(jī)

在這個(gè)模型中，狀態(tài)機(jī)是這個(gè)主動(dòng)對(duì)象的核心。傳統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)是有限狀態(tài)機(jī)(Fine State Machine，F(xiàn)SM)，當(dāng)所需解決的問題規(guī)模較小時(shí)，F(xiàn)SM是一個(gè)很好的選擇。然而，當(dāng)所需搭建的系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，即使規(guī)模適中，采用FSM也很難對(duì)所搭建的系統(tǒng)進(jìn)行管理。這是由于FSM所搭建的狀態(tài)圖具有爆炸性、重復(fù)性的特點(diǎn)，使得FSM的復(fù)雜性劇增，超過了所描述的基于反應(yīng)性系統(tǒng)的復(fù)雜度。模型中的主動(dòng)對(duì)象基于面向?qū)ο蟮乃枷耄Y(jié)合了抽象和層次的處理方式，采用行為繼承的方法，建立層次式狀態(tài)機(jī)，簡化了狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，極大地減少了重復(fù)性，從而擺脫了狀態(tài)機(jī)狀態(tài)爆炸的現(xiàn)象。圖1展示了簡單形式下的層次狀態(tài)機(jī)。

圖1 層次式狀態(tài)機(jī)

1.3 RTC事件處理

如圖2所示，主動(dòng)對(duì)象的控制線程中，都有一個(gè)對(duì)事件循環(huán)處理的泵，只要事件隊(duì)列中存在事件，它就不斷地通過Queue.get()操作提取事件進(jìn)行處理。而當(dāng)事件隊(duì)列空閑時(shí)，它便有效地阻塞這個(gè)循環(huán)，直到新的事件到來。

主動(dòng)對(duì)象的執(zhí)行模型是采用運(yùn)行到完成(Run-To-Complete，RTC)方式。RTC意味著狀態(tài)機(jī)對(duì)每個(gè)到來的事件的處理都是不可分割的，當(dāng)前事件Dispatch()操作處理完成之前，新到來的事件只能在隊(duì)列中等待，而不能中斷當(dāng)前執(zhí)行過程。RTC模型并不意味著當(dāng)前執(zhí)行的狀態(tài)機(jī)不能被搶斷，在多任務(wù)系統(tǒng)中，如Windows環(huán)境下不同線程中執(zhí)行的任務(wù)也是可以執(zhí)行的，它可能搶占了其他線程中正在執(zhí)行RTC步驟的任務(wù)。然而采用RTC模型的主動(dòng)對(duì)象要實(shí)現(xiàn)這樣的多任務(wù)搶占性、并發(fā)性，就必須要求主動(dòng)對(duì)象之間的耦合性降到最低，即它們之間不共享資源，這樣才不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)性、搶占性危險(xiǎn)。

圖2 主動(dòng)對(duì)象系統(tǒng)

1.4 出版-訂閱式中間層平臺(tái)

圖3展示了出版-訂閱式模式下主動(dòng)對(duì)象之間的交互通信。主動(dòng)對(duì)象相互之間不需要共享資源，通過中間層平臺(tái)(Quantum Platform，QP)來實(shí)現(xiàn)彼此的通信，并通過中間層的平臺(tái)抽象層(Platform Abstract Layer，PAL)提供接口訪問底層的組件/庫和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了低耦合高聚合的特性。QF是這個(gè)QP架構(gòu)的核心，它負(fù)責(zé)上層主動(dòng)對(duì)象的核心調(diào)度、事件池的管理、時(shí)間事件管理、通信、注冊(cè)等。主動(dòng)對(duì)象通過出版-訂閱式異步通信，采用事件零復(fù)制機(jī)制實(shí)現(xiàn)通信。每個(gè)主動(dòng)對(duì)象在注冊(cè)初始化時(shí)訂閱它們所關(guān)心的事件，每個(gè)主動(dòng)對(duì)象產(chǎn)生的事件通過QF中間層進(jìn)行發(fā)布。

圖3 出版-訂閱式中間層平臺(tái)

2 主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

圖4展示了主動(dòng)對(duì)象的類實(shí)現(xiàn)圖。主動(dòng)對(duì)象繼承基類CActiveObject，CActiveOject類則包含了前面所述的主動(dòng)對(duì)象的三個(gè)要素：狀態(tài)機(jī)(CHsm類)、控制的線程Thread和事件隊(duì)列Queue。

圖4 主動(dòng)對(duì)象類實(shí)現(xiàn)圖

采用主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的工業(yè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)架構(gòu)，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)架構(gòu)需要改變。根據(jù)主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型，構(gòu)建如圖5所示的體系架構(gòu)。

圖5 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

運(yùn)行系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為以下幾部分：

(1)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供整個(gè)控制軟件運(yùn)行的基本環(huán)境、系統(tǒng)資源。不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有著不同的實(shí)時(shí)性特性。

(2)中間層：中間層是這個(gè)分層體系架構(gòu)的核心層。它包含了平臺(tái)抽象、組件接口服務(wù)、實(shí)時(shí)框架服務(wù)三個(gè)部分。平臺(tái)抽象將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些資源和接口封裝起來。組件接口服務(wù)功能是對(duì)組件層提供的接口進(jìn)一步抽象封裝，以提供對(duì)系統(tǒng)可重構(gòu)性和開放性的支持。實(shí)時(shí)框架采用QF來負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度、事件管理、時(shí)間管理、通信管理以及應(yīng)用層的管理。中間層的三個(gè)部分不是獨(dú)立工作的，QF提供了上層運(yùn)行時(shí)的基本的環(huán)境，而平臺(tái)抽象則隱藏了運(yùn)行時(shí)硬件和軟件的差異，組件接口服務(wù)則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置的功能。

(3)應(yīng)用層：應(yīng)用層是由各個(gè)主動(dòng)對(duì)象構(gòu)成的，不同的主動(dòng)對(duì)象負(fù)責(zé)處理不同的事務(wù)。由于應(yīng)用層的平臺(tái)無關(guān)性，當(dāng)?shù)讓影l(fā)生變動(dòng)時(shí)，若客戶需求沒有改變，應(yīng)用層同樣也不需改動(dòng)，極大地提高了系統(tǒng)軟件的可移植性，減少了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

3 HN-Robot機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用

HN-Robot是以Windows CE6.0為軟件平臺(tái)的開放式可重構(gòu)嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)，可以根據(jù)具體需求實(shí)現(xiàn)對(duì)Scara、Puma等多種機(jī)器人的控制。表1所示為HN-Robot 機(jī)器人控制系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)。在這一部分將重點(diǎn)展示中間層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。

表1 HN-Robot系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

3.1 HN-Robot機(jī)器人系統(tǒng)中間層實(shí)現(xiàn)

3.1.1框架服務(wù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上層應(yīng)用的管理，部分框架的接口定義如下。

void QF_init()

//初始化框架

void QF_poolInit()

//初始化上層事件池

void QF_psInit()

//初始化事件訂閱表

void QActive_ctor()

//初始化上層活動(dòng)對(duì)象

void QActive_start()

//開啟活動(dòng)對(duì)象線程

int16_t QF_run()

//運(yùn)行框架服務(wù)

void QF_publish()

//事件出版

void QAcitve_subscribe()

//事件訂閱

框架提供上層應(yīng)用運(yùn)行時(shí)的環(huán)境。例如，上層主動(dòng)對(duì)象之間通過框架的出版-訂閱式的服務(wù)接口QF_publish()和QActive_subscribe()就能實(shí)現(xiàn)通信。這樣，框架便隱藏了操作系統(tǒng)的異構(gòu)性，使得上層應(yīng)用與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)解耦，大大提高了上層應(yīng)用的可移植性。

3.1.2組件接口服務(wù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)組件/庫的管理，部分組件接口服務(wù)定義如下。

bool CLI_OpenHMI()

//打開HMI模塊

void CLI_CloseHMI()

//關(guān)閉HMI模塊

void CLI_MOVEP()

//機(jī)器人指定點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)

void CLI_MOVEL()

//機(jī)器人指定直線運(yùn)動(dòng)

void CLI_MOVEC()

//機(jī)器人指定圓弧運(yùn)動(dòng)

int CLI_HOME()

//機(jī)器人回原點(diǎn)

int CLI_Stop()

//機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)

void CLI_ReadDO()

//讀取輸出口狀態(tài)

組件接口服務(wù)對(duì)那些提供相似服務(wù)的接口進(jìn)行抽象，這種抽象能夠在不改變系統(tǒng)其他部分的情況下實(shí)現(xiàn)組件的替換或更新。如在實(shí)現(xiàn)四自由度和六自由度的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)中，將具有這些相似功能的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)接口定義為CLI_MOVEP(P1,P2,…)，就能實(shí)現(xiàn)控制這類型的運(yùn)動(dòng)。通過這樣一種抽象封裝，上層就無需了解底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，系統(tǒng)也能夠在不改動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

3.1.3平臺(tái)抽象

平臺(tái)抽象通過一系列的宏定義和接口定義，將不同操作系統(tǒng)的資源和API接口進(jìn)行了統(tǒng)一。這樣，平臺(tái)抽象層就能隱藏框架運(yùn)行時(shí)軟硬件環(huán)境的不同。部分抽象層宏定義和接口定義如下。

//宏定義，通過改寫宏進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)移植

#define QF_INT_LOCK …

#define QF_INT_UNLOCK …

#define QACITVE_EQUEUE_WAT …

#define QACITVE_EQUEUE_SIGNAL …

#define QACITVE_EQUEUE_ONEMPTY …

3.2 HN-Robot機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)對(duì)象采用UML進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用QM建模工具(QM Modeling Tool,QMMT)進(jìn)行開發(fā)。以下給出了HN-Robot機(jī)器人控制系統(tǒng)中幾個(gè)主動(dòng)對(duì)象UML狀態(tài)圖設(shè)計(jì)，它們隱藏了大部分的細(xì)節(jié)，從整體上給出狀態(tài)分析及轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方式。

3.2.1譯碼主動(dòng)對(duì)象

如圖6所示，譯碼主動(dòng)對(duì)象負(fù)責(zé)管理對(duì)程序的編譯處理。初始化后，主動(dòng)對(duì)象處于Get_Code狀態(tài)，等待用戶選擇相應(yīng)程序。當(dāng)收到CODE事件后，轉(zhuǎn)換到Interpret狀態(tài)，之后根據(jù)DECODE事件對(duì)程序進(jìn)行編譯。如果操作失敗，則進(jìn)入Error狀態(tài)報(bào)錯(cuò)。

圖6 譯碼主動(dòng)對(duì)象UML圖

3.2.2運(yùn)行主動(dòng)對(duì)象

如圖7所示，運(yùn)行主動(dòng)對(duì)象負(fù)責(zé)管理程序的運(yùn)行。初始化后，主動(dòng)對(duì)象處于wait狀態(tài)，等待用戶設(shè)置運(yùn)行程序。用戶可以進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行或者單步運(yùn)行操作，主動(dòng)對(duì)象則根據(jù)相應(yīng)的事件進(jìn)行處理，并進(jìn)入working狀態(tài)。主動(dòng)對(duì)象接收到PAUSE事件后進(jìn)入Pause狀態(tài)，暫停等待用戶進(jìn)一步操作。

圖7 運(yùn)行主動(dòng)對(duì)象UML圖

3.2.3示教主動(dòng)對(duì)象

如圖8所示，示教主動(dòng)對(duì)象負(fù)責(zé)管理HMI中的示教操作。初始化后，主動(dòng)對(duì)象從disable狀態(tài)轉(zhuǎn)換到enable的ready子狀態(tài)，等待用戶的示教指令。當(dāng)有示教指令產(chǎn)生后，主動(dòng)對(duì)象會(huì)根據(jù)不同的指令進(jìn)行不同的事件處理。

圖8 示教主動(dòng)對(duì)象UML圖

3.3 HN-Robot機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

各個(gè)事務(wù)處理的主動(dòng)對(duì)象設(shè)計(jì)好后，就可以在中間層上進(jìn)行創(chuàng)建了。設(shè)計(jì)譯碼主動(dòng)對(duì)象的偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

//主動(dòng)對(duì)象創(chuàng)建實(shí)例

$declare(AOs::Interpret)

//封裝了譯碼主動(dòng)對(duì)象的聲明

static Interpret l_Interpret;

//唯一的譯碼主動(dòng)對(duì)象實(shí)例

//譯碼主動(dòng)對(duì)象唯一的公共接口

QActive *AO_Interpret = (QActive *)&l_Interpret;

$define(AOs::Interpret_ctor)

//譯碼主動(dòng)對(duì)象創(chuàng)建函數(shù)

$define(AOs::Interpret)

//譯碼主動(dòng)對(duì)象狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

//主動(dòng)對(duì)象創(chuàng)建運(yùn)行

int Create_ActiveObject(){

Interpret_ctor();

//譯碼主動(dòng)對(duì)象創(chuàng)建

…

//其他主動(dòng)對(duì)象創(chuàng)建

QF_init();

//框架服務(wù)初始化

….

//其他初始化

QActive_start(AO_Interpret,…)

//譯碼主動(dòng)對(duì)象運(yùn)行線程創(chuàng)建

…

//其他主動(dòng)對(duì)象運(yùn)行線程創(chuàng)建

QF_run();

//框架服務(wù)啟動(dòng)運(yùn)行}

代碼中首先創(chuàng)建唯一一個(gè)譯碼主動(dòng)對(duì)象l_Interpret，并采用QM內(nèi)置函數(shù)MYMdefine(AOs::Interpret)將UML圖的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)化成代碼，最后通過QActive_start(AO_Interpret,…)函數(shù)創(chuàng)建主動(dòng)對(duì)象的運(yùn)行線程。當(dāng)所有主動(dòng)對(duì)象完成創(chuàng)建后，就可以通過調(diào)用QP中間層平臺(tái)提供的接口QF_run()啟動(dòng)框架的服務(wù)。

圖9為HN-Robot機(jī)器人控制系統(tǒng)的HMI整體展示。從整體上可將區(qū)域劃分為菜單區(qū)、功能區(qū)、狀態(tài)區(qū)、信息提示區(qū)。該圖展示了手動(dòng)模式下進(jìn)行手動(dòng)示教的過程。

圖9 HN-Robot 人機(jī)界面

4 結(jié)論

從上述軟件設(shè)計(jì)過程可以看出：

(1)層次式狀態(tài)能夠幫助設(shè)計(jì)者隱藏內(nèi)部細(xì)節(jié)，行為繼承方式使得主動(dòng)對(duì)象通過重用機(jī)制(Umltimate Hook模式)減小系統(tǒng)復(fù)雜性。中間層架構(gòu)的出版-訂閱式平臺(tái)降低了主動(dòng)對(duì)象之間的耦合性，有效提高了程序的靈活性和可維護(hù)性。

(2)可視化主動(dòng)對(duì)象設(shè)計(jì)。應(yīng)用層采用UML圖形化設(shè)計(jì)開發(fā)，如圖6、圖7、圖8所示，使得軟件分析和邏輯結(jié)構(gòu)清晰，能夠有效、快速開發(fā)出機(jī)器人控制軟件相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能，降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

(3)采用主動(dòng)對(duì)象計(jì)算模型設(shè)計(jì)的分層架構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)資源的有效劃分和管理。在該架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)中，底層對(duì)上層而言是透明的，中間層封裝了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和組件的服務(wù)接口，隱藏了軟/硬件的差異，為應(yīng)用層提供了獨(dú)立于平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境，提高了軟件的可移植性。

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