機器人系列標準介紹
——《機器人ROBBUS通信總線》

王 碩

（中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京，100190）

機器人系列標準介紹
——《機器人ROBBUS通信總線》

王 碩

（中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京，100190）

本文介紹了國家標準《機器人ROBBUS通信總線》的撰寫背景、起草過程和標準主要內(nèi)容。

機器人，通信總線，模塊化

1 背景

近年，我國工業(yè)機器人和服務(wù)機器人的市場規(guī)模越來越大，發(fā)展速度越來越快。而如何依靠國內(nèi)機器人市場發(fā)展促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為國內(nèi)企業(yè)、科研機構(gòu)、大專院校必須共同面對的重要課題。對此，個人計算機（PC）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和發(fā)展歷程對于機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有極大的借鑒意義。

PC產(chǎn)業(yè)通過合理的上下游分工，建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，逐步確立標準體系，吸引眾多不同專業(yè)的廠商加入，在設(shè)計、生產(chǎn)和制造等環(huán)節(jié)上充分競爭，最終實現(xiàn)個人計算機性能提升、價格降低和市場普及，而隨著產(chǎn)品的普及，PC產(chǎn)業(yè)的規(guī)模迅速膨脹、產(chǎn)業(yè)鏈不斷延展。

受PC產(chǎn)業(yè)的啟發(fā)，機器人產(chǎn)業(yè)和技術(shù)相關(guān)國內(nèi)企業(yè)、科研機構(gòu)、大專院校希望通過機器人的標準化、模塊化重復(fù)PC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和發(fā)展歷程，促進國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在國家863計劃的大力支持下，北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、清華大學(xué)等科研機構(gòu)、大專院校與新松、奇瑞、上海沃迪等國內(nèi)企業(yè)密切合作，開展機器人模塊化關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和標準制定。國家標準《機器人ROBBUS通信總線》就是在這一產(chǎn)學(xué)研密切合作過程中形成的標準化成果。

總線技術(shù)在服務(wù)機器人不同的傳感、執(zhí)行、控制部件的模塊化方面具有重要應(yīng)用價值，并可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強系統(tǒng)可靠性、方便維護。隨著基于總線技術(shù)設(shè)計的模塊化機器人部件的發(fā)展，基于總線技術(shù)的模塊化機器人也必將成為未來機器人產(chǎn)業(yè)的主流之一。國家標準《機器人ROBBUS通信總線》正是針對這一現(xiàn)實需求而組織制定的。

2 標準編制過程

《機器人ROBBUS通信總線》由中國機械工業(yè)聯(lián)合會在2010年6月提出，并獲得國家標準化管理委員會批準進入行業(yè)標準制定計劃（項目編號：20100954-T-604）。在全國自動化系統(tǒng)與集成標準化技術(shù)委員會（SAC/ TC159）的支持下，由中國科學(xué)院自動化研究所牽頭，邀請北京航空航天大學(xué)、北京機械工業(yè)自動化所、北京理工大學(xué)等機構(gòu)的教授，以及新松公司、廣州數(shù)控、上海沃迪、博創(chuàng)興盛、蘇州博實、佛山勤聯(lián)等企業(yè)的專家共同組成標準工作組，開展標準起草工作。

經(jīng)過兩年多的工作，標準工作組完成了《機器人ROBBUS通信總線》的撰寫。

3 標準主要內(nèi)容

《機器人ROBBUS通信總線》是針對低成本、模塊化機器人而設(shè)計的一種通信總線標準?？偩€技術(shù)在中低端機器人系統(tǒng)上的應(yīng)用有特殊需求，如通信總線上所傳輸?shù)闹饕腔镜目刂泼詈屯獠凯h(huán)境及機器人自身狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)量相對較小，對帶寬的要求也較低，但對成本、可靠性、成熟度、配套組件有較高的要求。針對這些特殊需求，結(jié)合企業(yè)和市場情況，標準工作組起草并形成了機器人實時控制總線ROBBUS。

《機器人ROBBUS通信總線》標準是一種無主式總線，具有良好的實時性和可擴展性，抗干擾性強，適用于模塊化機器人系統(tǒng)的模塊間通信，具有多通道特性。標準規(guī)定了模塊化機器人系統(tǒng)中的通信總線的數(shù)據(jù)格式和程序規(guī)范，包括協(xié)議層次、格式定義、工作流程，主要適用于模塊化機器人系統(tǒng)中不同功能模塊構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)交互和信息共享，其他非模塊化機器人中的通信總線亦可根據(jù)實際需要使用本標準。

標準引用了國際標準“ISO11898-1-2003 Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 1: Data link layer and physical signalling”、“ISO11898-4-2004 Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 4: Timetriggered communication”、“ISO11898-5-2007 Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 5: Highspeed medium access unit with low-power mode”，并在國際標準基礎(chǔ)上，通過增加新的屬性，使其更加適合模塊化機器人的需要，同時也可以充分利用企業(yè)和市場成熟的產(chǎn)品方便機器人系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。

針對標準中使用的名詞和術(shù)語，對模塊化機器人、模塊、部件、幀、管道、位圖、ROBBUS總線接口、ROBBUS節(jié)點、報文標識符算進行了定義和說明?？偩€的機械標準和電氣標準引用了相關(guān)國際標準。

標準針對總線協(xié)議格式和程序?qū)崿F(xiàn)給出了具體說明。在總線協(xié)議設(shè)計上，充分考慮了與11位標識符的CAN總線通信協(xié)議和CAN Open協(xié)議的兼容性，并增加了對多線程通信的支持，使大數(shù)據(jù)塊的傳輸更為方便?？偩€通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、應(yīng)用層組成，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層參照ISO11898-1：2003標準，傳輸層和應(yīng)用層允許針對機器人控制需求進行修改。數(shù)據(jù)鏈路層采用點對點方式和廣播方式相結(jié)合來實現(xiàn)，各模塊的地址號采用7位數(shù)據(jù)表示；傳輸層采用基于報文頭的數(shù)據(jù)打包方式，在29位報文頭中包含目的地址、源地址、幀號、管道號、幀類型等，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)冗錯機制，實現(xiàn)長數(shù)據(jù)內(nèi)容的并行可靠傳輸，提高總線的利用率。傳輸層實現(xiàn)塊數(shù)據(jù)的打包傳輸，應(yīng)用層實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的各模塊間的功能通信，支持大于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包的拆分和重組。

ROBBUS的傳輸層協(xié)議主要針對機器人系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量長度不固定、實時性傳輸要求高的通信數(shù)據(jù)的處理。ROBBUS的傳輸層既要能處理長度只有幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，又要能傳輸幾十或幾百字節(jié)的長數(shù)據(jù)；既要支持主控制器與從控制器之間的數(shù)據(jù)通信，又要支持從控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸；通信協(xié)議既有數(shù)據(jù)打包能力，又必須快速高效。

ROBBUS應(yīng)用層規(guī)定了節(jié)點信息，模塊間的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸格式等，允許針對機器人控制需求進行修改。每個ROBBUS節(jié)點具有一個說明節(jié)點信息的列表，包括節(jié)點基本信息、數(shù)據(jù)信息列表、節(jié)點支持的控制命令列表等。其中控制命令編碼為兩字節(jié)并保證其兼容性。

為了方便標準的使用，本標準還以附錄形式介紹了一個應(yīng)用實例，描述如何在一個典型的控制系統(tǒng)中使用本標準。

4 總結(jié)

本文介紹了《機器人ROBBUS通信總線》國家標準，簡要說明了制定標準的目標、編制過程和標準主要內(nèi)容。目前，機器人使用的通信總線在帶寬、成本、接口形式、軟硬件復(fù)雜度等方面都有特殊的要求，因此一種合理的機器人系統(tǒng)內(nèi)部通信總線標準將有助于機器人模塊化的設(shè)計和模塊化機器人的生產(chǎn)、應(yīng)用和維護。

5 至謝

[1] 機器人模塊化體系結(jié)構(gòu)總體設(shè)計課題組. 機器人發(fā)展戰(zhàn)略研究報告-歷程、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、標準與政策. 兵器工業(yè)出版社，2009.

[2] 國家標準《機器人ROBBUS通信總線》.

[3] ISO11898-1-2003 Road Vehicles - Controller Area Network (CAN)- Part 1: Data Link Layer and Physical Signalling.

[4] ISO11898-4-2004 Road Vehicles - Controller Area Network (CAN)- Part 4: Time-Triggered Communication.

[5] ISO11898-5-2007 Road Vehicles - Controller Area Network (CAN)- Part 5: High-Speed Medium Access Unit with Low-Power Mode.

本項目獲國家863計劃資助，項目編號2012AA041402。