一種新型輕型機(jī)械臂示教軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

王祺+王堃+張璇琛

摘 要：傳統(tǒng)輕型六軸機(jī)械臂控制軟件構(gòu)架一般包括控制器、示教器、canopen通訊等部分。傳統(tǒng)控制器是一個(gè)程序，機(jī)械臂動(dòng)作參數(shù)設(shè)定時(shí)，一個(gè)動(dòng)作信號(hào)需要一組控制器參數(shù)，大量的數(shù)據(jù)收發(fā)常常引發(fā)主線程與其它線程爭(zhēng)奪資源而出現(xiàn)死鎖，導(dǎo)致主線程不能繼續(xù)往下執(zhí)行，出現(xiàn)卡死。對(duì)此，使用Qt軟件及C++語言，開發(fā)了一款新型六軸機(jī)械臂控制軟件。采用TCP/IP通訊實(shí)現(xiàn)程序間通訊，多線程提高單個(gè)程序效率，以QTcpSocket類進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。通過控制輕型六軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證明此控制軟件有效、穩(wěn)定，能解決界面卡死問題，具有良好的可擴(kuò)展性與可移植性，界面友好，運(yùn)行流暢。

關(guān)鍵詞：TCP/IP通訊；圖形界面卡死；QTcpSocket

DOIDOI：10.11907/rjdk.172360

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0124-04

0 引言

圖1是六軸輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)?？刂栖浖惭b在控制器里，示教器是控制器外的觸屏?？刂破骱褪窘唐鬟B在一起是低配的平板電腦，運(yùn)算和儲(chǔ)存要求不高。PCAN又叫做PCAN-USB，是一個(gè)CAN轉(zhuǎn)USB接口，通過它可以將CAN網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文通過USB接口傳輸?shù)絇C上，通過相關(guān)軟件查看CAN報(bào)文。PCAN的另一端連接控制器CAN卡，CAN卡與六軸機(jī)械臂相連。使用Qt編寫程序，語言為C++。

1 界面卡死原因

“界面卡死”是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由于過量的進(jìn)程資源消耗，使圖形界面進(jìn)程受到影響的現(xiàn)象?？刂瞥绦蜉^為復(fù)雜的指令有發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。用戶通過示教器的圖形界面發(fā)出指令，在進(jìn)行稍微復(fù)雜的處理時(shí)就會(huì)有延遲，使得界面（GUI）卡死。對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，將控制器的程序拆分為兩個(gè)，如圖2所示。一個(gè)程序是用戶界面程序（GUI），稱為RH-LBR，負(fù)責(zé)收集用戶指令，另一個(gè)程序Communication_APP專門負(fù)責(zé)收集下位機(jī)發(fā)來的報(bào)文，以及通過GUI指令向下位機(jī)發(fā)送指令。這樣耗時(shí)的處理都由Communication_APP來處理，用戶交互界面RH-LBR不會(huì)被卡死。兩個(gè)程序之間的通訊模式為TCP/IP。

2 建立TCP通訊

下面分別介紹RH_LBR和Communication_APP這兩個(gè)程序里負(fù)責(zé)通訊的類。CIRT_LBR_GUI類定義RH_LBR程序的GUI，有信號(hào)與槽函數(shù)和ControllerSocket類互通消息。ControllerSocket類定義TCP里的用戶端類。Communication_APP程序里有TcpTransaction類，主要定義TCP里的服務(wù)器端，見圖3。

在RH_LBR程序的ControllerSocket類中，重要函數(shù)如下：①void ControllerSocket：：connectToController（）建立TCP連接；②void ControllerSocket：：readMessage（）接收Communication_APP這個(gè)程序發(fā)來的信息，會(huì)有對(duì)應(yīng)的sendMessage函數(shù)在Communication_APP程序里；③void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）傳輸信息，使Communication_APP可以接收到信息。

在Communication_APP程序的TcpTransaction類中，重要函數(shù)有：①void TcpTransaction：：sessionOpened（）。TCP通信的網(wǎng)絡(luò)配置槽函數(shù)；②void TcpTransaction：：readMessage（）。獲取用戶程序發(fā)送的全部報(bào)文，并解析后通過信號(hào)發(fā)送給子線程：HS_Interface；③void TcpTransaction：：sendMessage（const QString & Message）。通過本函數(shù)將需要發(fā)送ControllerSocket類的信息發(fā)送出去。

2.1 RH_LBR用戶界面程序兩個(gè)主要類

RH_LBR程序里有兩個(gè)主要類：CIRT_LBR_GUI和ControllerSocket類。

在CIRT_LBR_GUI類中用信號(hào)與槽函數(shù)調(diào)用ControllerSocket類中的startTCPConnection（）函數(shù)，建立TCP連接。

void CIRT_LBR_GUI：：initTCPConnection（）

{

開始新建socket的線程和socket的對(duì)象

TCPConnectionThread=new QThread；

controllerSocket=new ControllerSocket；

controllerSocket->moveToThread（TCPConnectionThread）；

下一行代碼表示用GUI界面的信號(hào)函數(shù)觸發(fā)ControllerSocket類的TCP連接函數(shù)：

connect（this，SIGNAL（startTCPConnection（）），controllerSocket，SLOT（startTCPConnection（）））；

下一行代碼表示ControllerSocket類的TCP連接結(jié)果反饋給GUI界面：

connect（controllerSocket，SIGNAL（socketConnectionResult（bool）），this，SLOT（getSocketConnectionResult（bool）））；

TCPConnectionThread->start（）；開始事件循環(huán)}endprint

下面是ControllerSocket類中定義的一些參數(shù)和槽函數(shù)。

QString ControllerSocket：：hostName="127.0.0.1"；TCP主機(jī)名，不是實(shí)際的，可自行設(shè)定

int ControllerSocket：：portNo=30001；TCP端口名

QTcpSocket*socket；

QDataStream dataInputStream；

ControllerSocket：：ControllerSocket（QObject*parent）：QObject（parent）

{socket=new QTcpSocket（this）；新建socket

connect（socket，SIGNAL（connected（）），this，SLOT（onConnected（）））；

connect（socket，SIGNAL（disconnected（）），this，SLOT（onDisconnected（）））；

connect（socket，SIGNAL（readyRead（）），this，SLOT（readMessage（）））；讀取socket發(fā)來的信息

}

void ControllerSocket：：startTCPConnection（）

{connectToController（）；}

void ControllerSocket：：connectToController（）

{socket->connectToHost（hostName，portNo）；

if（！socket->waitForConnected（））

{qDebug（）<<"can not connect to controller"； return；}

dataInputStream.setDevice（socket）；

dataInputStream.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；}

下面的readMessage（）函數(shù)表示接收Communication_APP這個(gè)程序發(fā)來的信息，會(huì)有對(duì)應(yīng)的sendMessage函數(shù)在Communication_APP程序里。

void ControllerSocket：：readMessage（）

{std：：vectormessages；

bool committransaction=true；

while （committransaction && socket->bytesAvailable（）>0）{

dataInputStream.startTransaction（）；

QString message；

dataInputStream>>message；

committransaction=dataInputStream.commitTransaction（）；

if（committransaction）

{messages.push_back（message）；

parseMessage（message）；這個(gè)函數(shù)表示消息格式識(shí)別，具體代碼省略，這個(gè)函數(shù)會(huì)發(fā)送Q_EMIT信號(hào)函數(shù)給CIRT_LBR_GUI類}}}

void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）

這個(gè)writeBytes函數(shù)傳輸信息，使得Communication_APP程序可以接收到信息：

{QByteArray block；

QDataStream out（&block， QIODevice：：WriteOnly）；

out.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；

out<

qDebug（）<<"to server："<

if（socket->state（）==QAbstractSocket：：ConnectedState）

{socket->write（block）；

socket->flush（）；}}

2.2 Communication_APP TCP通訊服務(wù)器端程序

Communication_APP程序最重要是TcpTransaction類，下面介紹如何建立TCP通訊和信息傳遞。

QTcpServer*tcpServer（tcp通信的服務(wù)器）；QTcpSocket*tcpsocket（tcp通信的socket）；

QDataStream in；用于和驅(qū)動(dòng)器通信的子線程；

HardSoft_Interface*HS_Interface；這是和硬件連接的類，負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送報(bào)文，不詳細(xì)介紹。

QThread HS_Thread；管理HS_interface qthread類

TcpTransaction：：TcpTransaction（QWidget*parent）：QDialog（parent），statusLabel（new QLabel），tcpServer（Q_NULLPTR），HS_Interface（new HardSoft_Interface（）），HS_Thread（this）

{sessionOpened（）；TCP通信的網(wǎng)絡(luò)配置槽函數(shù)，具體代碼如下：

HS_Interface->moveToThread（&HS_Thread）；將HS_Interface移動(dòng)到子線程

將信號(hào)與槽進(jìn)行連接

QPushButton*quitButton=new QPushButton（tr（"Quit"））；

quitButton->setAutoDefault（false）；

connect（quitButton，&QAbstractButton：：clicked，this，&QWidget：：close）；

注意Initial函數(shù)表示每當(dāng)一個(gè)新的客戶端連接上服務(wù)器后，不管前面的客戶端是否退出，應(yīng)該delete之前的tcpsocket，而不只是修改服務(wù)器的tcpsocket指針指向：

connect（tcpServer，&QTcpServer：：newConnection，this，&TcpTransaction：：Initial）；

connect（quitButton，&QAbstractButton：：clicked，HS_Interface，&HardSoft_Interface：：Quit）；

onnect（HS_Interface，&HardSoft_Interface：：Exit，this，&TcpTransaction：：ExitHsInterface）；

connect（&HS_Thread，&QThread：：finished，this，&QWidget：：close）；HS_interface一旦退出，服務(wù)器也必須退出，頁(yè)面布局代碼忽略}

void TcpTransaction：：sessionOpened（）

{tcpsocket=Q_NULLPTR；

tcpServer=new QTcpServer（this）；

QString testipaddress（"127.0.0.1"）；非實(shí)際值，只是示例

int port=30001；

if（！tcpServer->listen（QHostAddress（testipaddress），port））{listen函數(shù)

QMessageBox：：critical（this，tr（"Communication Server"），

tr（"Unable to start the server：%1."）

.arg（tcpServer->errorString（）））；

close（）；

return；}}

Initial函數(shù)步驟：①如果有客戶連接到服務(wù)器，則delete以前的服務(wù)器tcpsocket，然后獲取新的客戶tcp指針；②連接上客戶端后，將readyread信號(hào)和readmessage槽函數(shù)進(jìn)行連接（見下面部分代碼）；③將用戶指令通過信號(hào)與槽和HS_interface進(jìn)行連接；④開啟HS_INTERFACE線程。

void TcpTransaction：：Initial（）

{如果客戶端退出，新客戶端連接到服務(wù)器，若原來的tcpsocket不被銷毀，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，所以刪除之前的tcpsocket

if（tcpsocket）

delete tcpsocket；

tcpsocket=tcpServer->nextPendingConnection（）；

connect（tcpsocket，&QIODevice：：readyRead，this，&TcpTransaction：：readMessage）；

in.setDevice（tcpsocket）；將DataStream和當(dāng)前的tcpsocket綁定

in.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；設(shè)置DataStream的版本

將HS_interface發(fā)來的消息通過本線程發(fā)送給用戶APP，sendMessage詳細(xì)代碼：

connect（HS_Interface，SIGNAL（SendMessage（QString）），this，SLOT（sendMessage（QString）））；

將所有用戶發(fā)來的指令解析后發(fā)送給子線程：HS_Interface，由HS_Interface經(jīng)過Pcan發(fā)送給can總線，從而和驅(qū)動(dòng)器通信。

connect（this，SIGNAL（InitRobot（）），HS_Interface，SLOT（start（）））；初始化機(jī)器人

connect（this，SIGNAL（SetJointVel（const int&，const double&）），HS_Interface，SLOT（SetJointVel（const int&，const double&）））；等等，不一一列舉。

HS_Thread.start（）；}開啟子線程

下面的readMessage函數(shù)獲取用戶程序發(fā)送的全部報(bào)文，解析后通過信號(hào)發(fā)送給子線程：HS_Interface

void TcpTransaction：：readMessage（）

{

std：：vectormessages；

bool committransaction=true；

while（committransaction &&

tcpsocket->bytesAvailable（）>0）{

in.startTransaction（）；

QString message；

in>>message；

committransaction=in.commitTransaction（）；

if（committransaction）{

messages.push_back（message）；

int TcpExceptionCode；

MsgData messageData=parseMessage（message，TcpExceptionCode）；

檢查TCP通信獲得的字符串是否存在異常：

switch（TcpExceptionCode）{……

switch（messageData.type）{……

}}}}

通過sendMessage函數(shù)將需要發(fā)送的信息發(fā)送出去：

void TcpTransaction：：sendMessage（const QString&Message）

{

QByteArray block；

QDataStream out（&block，QIODevice：：WriteOnly）；

out.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；

out<

if（tcpsocket->state（）==QAbstractSocket：：ConnectedState）

{tcpsocket->write（block）；

tcpsocket->flush（）；}}

3 軟件架構(gòu)改進(jìn)

通過以上步驟，將耗時(shí)的程序以及與下位機(jī)通訊的程序都轉(zhuǎn)移為GUI界面卡死問題。pcan與can卡之間通訊不穩(wěn)定，有很多超時(shí)現(xiàn)象，軟件架構(gòu)改進(jìn)方向是：控制器和can卡采用TCP直接通訊，不再借用pcan轉(zhuǎn)換，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，見圖4。通過控制輕型六軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，證明此軟件有效，解決了界面卡死問題。

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