关键词:
分布式系统
多机器人系统
机器人中间件
数据分发服务
远程过程调用
服务集成框架
摘要:
多机器人系统是典型的分布式实时系统,在分布式机器人控制系统开发过程中,存在底层软硬件异构性强、通信实时性不足等问题。通过引入机器人中间件技术,建立接口和数据标准,采用合适的通信技术,可以实现对异构软硬件的兼容,解决由于异构性带来的信息孤岛问题并提高通信实时性。近年来,国外提出了ROS、Open RDK等机器人中间件,虽然由于技术选型不同存在通信模式单一,可扩展性不强等问题,但就成果对比而言我国对机器人中间件技术的研究还处于起步阶段。基于对机器人中间件技术的需求,本文设计并实现了一套基于数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)的机器人中间件框架,提出了与之配套的功能接口及元数据表述规范,提出并引入基于DDS实现的远程过程调用通信机制框架Dynamic-DDS-RPC。最后在工业现场部署了基于该框架实现的中间件软件,对其设备加载、设备管理、数据传输、服务管理等各项功能进行了验证。本文的主要贡献如下:(1)通过对国内外多品类机器人的调查研究,抽象并总结出了一套机器人接口规范和机器人设备信息元数据描述规范。基于该抽象规范对机器人功能组件和数据进行封装和管理。(2)针对多机器人分布式系统存在的软硬件异构性强、组件复用度低、通信实时性不足问题,采用DDS技术和Web Service技术,设计实现了一套机器人中间件框架。该框架采用SOA架构,提供通用的接口和数据接入,对外暴露Web服务接口,解决了软硬件异构问题并增强了组件复用程度。同时框架提供基于DDS和基于本地多线程的数据通信功能,实现了微秒级的节点内外数据实时传输。(3)针对DDS技术难以支持服务组件的灵活配置和开发问题,及Web Service技术中存在的服务远程过程调用延时高问题,本文基于DDS发布订阅通信基础,设计了具有请求响应机制的服务框架模型Dynamic-DDS-RPC,实现低延时、可灵活配置机器人服务的远程过程调用功能,并将其结合在本文机器人中间件框架中。(4)基于文中提出的机器人中间件框架,开发了一套用于机器人的机器人分布式控制系统(Robot Distributed Control System,RDCS)中间件。通过将RDCS部署在实际焊接产线上,对国外ABB机器人和国内的杰瑞机器人进行接入和开发测试,验证了本文提出的机器人中间件技术的可行性。