王勝華 魏秀權(quán) 蔣啟祥

摘要：本文針對以PC為控制系統(tǒng)核心架構(gòu)的開放式機器人系統(tǒng)，在外部主電源異常斷開、上電中對系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)保護的問題，設(shè)計并開發(fā)了斷電保護和時序管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在外部主電源斷電后由斷電保護電源持續(xù)提供電源供給，同時在再次上電后通過電源時序管理單元以及專門設(shè)計的時序控制邏輯來確保機器人控制系統(tǒng)的正常關(guān)閉和啟動。該系統(tǒng)提高了機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，滿足用戶高效、高品質(zhì)生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;控制系統(tǒng);斷電保護;時序管理

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機器人控制系統(tǒng)中，開放式控制系統(tǒng)是目前國際上控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[1]，在可擴展性、互操作性、可移植性等方面具有明顯的優(yōu)勢。其中PC成為機器人控制器核心架構(gòu)的首選，其具有成本低、開放性好、完備的軟件開發(fā)環(huán)境、豐富的軟件資源和良好的通訊功能[2-4]等優(yōu)點。

在采用PC作為機器人控制系統(tǒng)核心架構(gòu)的開放式系統(tǒng)中，機器人的作業(yè)程序和控制算法均是由機器人控制器安裝在PC中的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。在機器人作為產(chǎn)品應(yīng)用于實際作業(yè)過程中，當(dāng)機器人控制器的供電電源異常斷開時，操作系統(tǒng)和機器人程序會發(fā)生非正常關(guān)閉，極容易造成操作系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的損壞，機器人重啟后將無法再繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前的作業(yè)，甚至無法再正常工作。

為了解決這一問題，在一些PC的應(yīng)用中，則采用UPS電源來保持PC的持續(xù)工作和自動關(guān)機[5]。目前機器人廠商主要采用兩種方式來實現(xiàn)斷電保護，第一種方法是在機器人控制器中采用高速CMOS存儲器來實現(xiàn)斷電瞬間操作系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲，但是由于其存儲容量小，只能存儲部分重要數(shù)據(jù)，且成本高;第二種方法是在電源模塊中采用獨立的備用電池，在控外部斷電后繼續(xù)為操作系統(tǒng)供電以使其能進行數(shù)據(jù)存儲，但備用電池存在壽命短且易損壞等問題。

本文針對上述問題，設(shè)計并開發(fā)了一種基于PC的開放式機器人控制系統(tǒng)的斷電保護和時序管理系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅具有斷電保護的電源，能實現(xiàn)關(guān)機后機器人控制器的電源供給，還具備電源時序管理單元以及時序管理邏輯對電源、機器人控制器以及機器人控制軟件進行時序管理，以保障機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

1 斷電保護和時序管理系統(tǒng)的設(shè)計

本文采用工業(yè)計算機（IPC）作為機器人控制器，如圖1所示，機器人的作業(yè)程序和參數(shù)存儲在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)硬盤上，通過控制程序來規(guī)劃和實現(xiàn)機器人的具體作業(yè)。

在實際操作過程中，會出現(xiàn)正常的開、關(guān)機，異常的斷電、上電（異常開關(guān)機）以及關(guān)機后立即重新開機等情況。為保護機器人控制系統(tǒng)的軟件和數(shù)據(jù)，使得機器人控制器在上述情況中仍能正常工作，設(shè)計并開發(fā)了由具有斷電保護功能的電源、電源時序管理單元，以及相應(yīng)的時序管理控制構(gòu)成的系統(tǒng)，上述單元與控制器一同安裝于機器人控制柜中，如圖2所示。

2 斷電保護和電源時序管理單元設(shè)計

開發(fā)的控制系統(tǒng)由斷電保護電源在外部斷電時為機器人控制器持續(xù)供電，由電源時序管理單元控制電源和機器人程序的工作。

2.1 斷電保護電源

本文開發(fā)的電源模塊經(jīng)主電路連接市電并將市電轉(zhuǎn)換后輸出至機器人控制器，電源模塊在主電路斷電后切換至斷電保護輸出狀態(tài)，持續(xù)為機器人控制器供電，實現(xiàn)斷電存儲。

電源模塊包括電源轉(zhuǎn)換電路、控制器電源模塊、網(wǎng)壓檢測模塊以及儲能模塊。電源轉(zhuǎn)換電路連接于主電路;控制器電源模塊連接于電源轉(zhuǎn)換電路且為機器人控制器供電;網(wǎng)壓檢測模塊連接于電源轉(zhuǎn)換電路以檢測電源轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓，當(dāng)電源轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓低于設(shè)定閾值時，電源模塊輸出斷電觸發(fā)信號至電源時序管理單元，電源時序管理單元將該斷電觸發(fā)信號輸出至機器人控制器;儲能模塊連接于控制器電源模塊且在主電路正常供電工作時儲能，當(dāng)主電路斷電時儲能模塊輸出能量以維持控制器電源模塊正常工作，控制器電源模塊為機器人控制器供電以使其基于斷電信號完成斷電存儲。

2.2 電源時序管理單元

電源時序管理單元包括電源判斷模塊、控制器判斷模塊以及時序控制模塊，如圖3所示。

電源判斷模塊在主電路斷電后再次上電時，判斷電源模塊的輸出狀態(tài)，如正常工作狀態(tài)、斷電保護輸出狀態(tài)等。

控制器判斷模塊判斷機器人控制器的狀態(tài)，包括開機、關(guān)機狀態(tài)。

時序控制模塊實時監(jiān)測電源模塊狀態(tài)、機器人控制器內(nèi)機器人軟件程序的狀態(tài)以及機器人控制器的斷電信號等，根據(jù)設(shè)計的時序進行關(guān)閉、啟動機器人控制器，并啟動內(nèi)部機器人軟件程序。

3 機器人控制器時序管理邏輯

在機器人實際工作過程中可能遇到人為主動或意外的對機器人控制器斷電、上電，外部輸入電源、電源模塊、機器人控制器、機器人軟件程序可能出現(xiàn)多種狀態(tài)，如表1所示。

根據(jù)上述單元的各個狀態(tài)，對應(yīng)于機器人實際工作時的情況，設(shè)計了機器人控制系統(tǒng)的時序管理邏輯。針對幾種常見的情況進行說明。

（1）正常關(guān)機。

正常關(guān)機時，外部輸入電壓斷電，電源模塊進入斷電保護輸出狀態(tài)，時序控制模塊收到斷電信號，并通知機器人軟件程序進行數(shù)據(jù)與程序保存工作，等收到軟件程序關(guān)閉信號后，再延時一定時間關(guān)閉機器人控制器。機器人正常關(guān)機后，外部電壓（VIN）、斷電保護電源電壓（VCPS）、關(guān)機信號（B）、機器人控制器狀態(tài)（VIPC）的變化如圖4所示。

（2）斷電后再上電。

機器人控制系統(tǒng)外部主電源斷電后再上電是一個需要專門分析處理的情況。對于機器人斷電后很長一段時間再上電，則可以認(rèn)為是經(jīng)歷了關(guān)機→關(guān)機完畢→再次開機這一過程。但當(dāng)間隔時間較短時，會存在機器人軟件程序未關(guān)閉、機器人控制器未關(guān)閉等情況。因此通過時序控制模塊實時監(jiān)測機器人控制狀態(tài)、機器人軟件程序狀態(tài)，確定了機器人控制系統(tǒng)的時序管理邏輯。核心控制流程示意如圖5所示。

在短時間內(nèi)斷電再上電時，如機器人控制器已關(guān)閉，說明前次關(guān)機過程已完成，執(zhí)行開機過程;如控制器未關(guān)閉，則說明前次關(guān)機的流程還未完成，進一步判斷機器人軟件程序是否關(guān)閉，等待其關(guān)閉后，延時關(guān)閉機器人控制器，再進入正常啟動過程。上述兩種情況的時序如圖6所示，其中A為機器人控制系統(tǒng)再啟動信號。

4 實驗驗證

針對所設(shè)計的斷電保護和時序管理系統(tǒng)分別進行實驗驗證。

（1）斷電保護。

分別在有、無斷電保護功能下關(guān)機，并相隔較長時間等待系統(tǒng)完全關(guān)閉后再打開，確認(rèn)機器人運行的數(shù)據(jù)是否能夠妥善保存。

經(jīng)重復(fù)測試發(fā)現(xiàn)，斷電保護功能能夠有效解決數(shù)據(jù)保存和文檔損壞的問題，如表2所示。

（2）時序管理系統(tǒng)。

在采用了斷電保護功能后，分別就有無時序管理進行實驗。分別間隔10 s、20 s、30 s、40 s進行斷電后再上電，考察是否能夠正常關(guān)機和再啟動。經(jīng)測試，在無時序管理情況下，需要間隔至少30 s才能正常關(guān)機并啟動;而在時序管理系統(tǒng)控制下，無論關(guān)機、開機間隔時間多長，均可以正常地重啟機器人系統(tǒng)，同時確保機器人運行數(shù)據(jù)保存、機器人軟件程序關(guān)閉、IPC重啟、機器人控制軟件的重啟。

5 結(jié)論

以PC為控制系統(tǒng)核心架構(gòu)的開放式機器人系統(tǒng)，在遇到外部主電源異常斷開時，會導(dǎo)致上電中對系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)保存出現(xiàn)問題。本文針對上述問題，設(shè)計并開發(fā)了一種基于PC的開放式機器人控制系統(tǒng)的斷電保護和時序管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在外部主電源斷電后持續(xù)提供電源供給，同時在再次上電后確保機器人控制系統(tǒng)的正常關(guān)閉和啟動，為后續(xù)結(jié)合機器人控制器、機器人程序軟件、電源及其控制單元等多模塊協(xié)同工作提供了保障，為進一步完善機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了基礎(chǔ)，從而滿足用戶高效、高品質(zhì)生產(chǎn)的需求。

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