激光加工机器人通信协议设计

机器人目前应用十分广泛，在工业、科研、医学等领域发挥了重要作用。我们知道，机器人的指令需要我们来提供。目前，工业机器人的指令一般都是通过示教盒输入的。示教盒提供了简单的人机界面，可以帮助完成简单的示教任务。但在许多应用中，仅通过示教输入是无法满足要求的。在激光加工机器人系统中，要给机器人的指令多达几万条，而且指令的参数不能示教得到，是由其他测量系统提供的。在这种情况下，需要通过上位机给机器人控制器发送指令。这就需要实现机器人控制器和上位机的实时通信。机器人指令有固定格式，机器人通信有其特殊性。为了保证通信的可靠性，提高通信效率，可根据机器人通信特点，制定了相应的通信协议，并制作了专用的、更适合于工业应用的上位机通信控件。

1 机器人主控计算机

机器人控制器中最重要的是主控计算机。在激光加工机器人中，主控计算机采用基于PC总线S 104/486DX工业控制级嵌入式单板计
算机，其核心是AMD 80486 DX微处理器。主控计算机提供串行接口，可以和它进行串口通信。主控计算机内部的信息处理由机器人控制器操作系统来实现。整个系统采用了实时多任务操作系统VRTXsa来实现，它具有很好的实时性和可靠性，同时具有完善的任务管理机制。

2 激光加工机器人通信系统结构

机器人的运动指令来自通信系统。在我们的通信系统中，主要包括上位机应用程序、串口控件、串口和机器人主控计算机(下称下位机)。上位机应用程序产生指令，通过控件访问串行端口，将指令传给下位机。下位机收到指令后，对指令进行分析处理。对于下位机来说，这些指令分两种:一种是解释执行指令，需要进入命令队列，排队执行，占用缓存;另一种是立即执行指令，不需要进入队列，不占用缓存。对于解释执行指令，下位机收到后，把指令放入队列后马上返回应答。对于立即执行指令，先执行该指令，然后才返回应答。查询指令属于立即执行指令，下位机除了返回命令在命令字外，还同时返回相应的数值。上位机根据返回的应答判断通信的状态，并进行相应的处理。

3 通信协议

我们的激光加工机器人通信系统具有以下特点:

1)机器人只会按指令进行工作，如果指令有问题，将会带来不可预测的后果。所以对于我们的通信系统来说，可靠性、安全性是首要的。

2)机器人工作环境比较恶劣，各种干扰比较大。通信的抗干扰能力、错误处理的能力非常重要。

3)为了提高加工效率，希望机器人能以较快的速度进行工作。

为避免机器人出现“空指令”，通信速度要跟得上。基于机器人通信系统自身的特点，上位机和它进行通信，必须满足其特定的要求。我们采用如下的通信方式:

(1)主从方式。上位机为主机，下位机为从机。一般情况下，下位机不能主动给上位机发送信息。只有上位机给下位机发出指令后，下位机才能作出应答。这样通过上位机，我们就可以很好地控制整个通信过程。

(2)数据帧方式。采用数据帧的方式，有利于保证数据包的完整性，便于进行数据接收和处理。在我们的通信系统中，上位机和下位机均采用相同的协议对通信数据进行打包、解包。我们自己定义帧头为eb 90 82，帧尾为9082，帧标志为f0。另外规定，有效数据中若出现90，则双写90，用以区别帧尾中的900数据帧格式如下所示:

｛帧头一帧标志一通信数据一帧尾一校验字}

另外，在我们的通信过程中，要处理各种不同类型的数据，包括char' , short型、float型、byte型等，在有效数据前加入标识符来识别它们。如f0 06表示6个浮点数，f3 05表示5个字符。
(3)校验和。这是一种简单而实用的校验方式。在上位机发送指令前，自动计算数据的和，并将它附在数据帧的末端，一起发送给下位机。下位机在接收到数据帧后，先解包，然后再计算一次数据和，用它与数据帧末端的校验和进行比较。反之亦然。使用这种方式可以检验数据在传输的过程中是否发生了变异。

(4)自动重发机制。下位机在接收到错误的数据帧时，将会把该数据帧遗弃掉，同时向上位机返回错误码报错。这时候，该帧数据需要重新发送。如果把重发任务交给应用程序，程序将变得比较复杂。我们把这个任务交给控件，可以很轻松的实现重发功能。在控件内部，当新的数据发送之前，都将数据做一个备份，直到确认接收正确了，才将其消除。如果发现有错误，将其再次发出去。

(5)应答方式。在通信过程，下位机对上位机每一帧数据都必须做出的应答。上位机根据返回的应答判断通信状态，然后进行下一步动作。为了安全起见，规定只有在确认前一包指令正确应答之后，才可以发下一包指令。对于非查询指令(包括全部解释执行指令和部分立即执行指令)，下位机收到后，返回该指令的命令字;对于查询指令，除了返回命令字之外，同时还返回查询数据，如机器人的位置、各轴转角等。如果下位机检测到数据帧有问题，如无帧头、校验和错等，则返回相应的错误码。上位机在发送指令的时候，同时记录下了该指令的命令字。在接收到下位机返回的应答后，将其中的命令字与保留的命令字比较，如果一样，则说明发送正确，可以发送下一条指令;反之，则说明指令发送有问题，根据错误码进行错误处理，并重发当前指令包。指令的发送和应答的接收过程如图1所示。

(6)成组指令发送方式。由于机器人的运行速度很快，为了能保证指令发送速度能跟上运行速度，因此在一个数据报里同时发送了多条指令，而下位机只需应答第一条指令。这样就减少了应答时间，提高了指令的发送速度。实际应用中，我们采用7条指令一个数据报，结果显示，速度快了大约37。为了安全和处理方便，控件只允许解释执行指令成组发送，对于立即指令，只能发送单指令数据报。