一种新型轻型机械臂示教软件架构设计

一种新型轻型机械臂示教软件架构设计
作者：王祺王堃张璇琛
来源：《软件导刊》2018年第02期
摘要：传统轻型六轴机械臂控制软件构架一般包括控制器、示教器、canopen通讯等部分。

传统控制器是一个程序，机械臂动作參数设定时，一个动作信号需要一组控制器參数，大量的数据收发常常引发主线程与其它线程争夺资源而出现死锁，导致主线程不能继续往下执行，出现卡死。

对此，使用Qt软件及C++语言，开发了一款新型六轴机械臂控制软件。

采用TCP/IP通讯实现程序间通讯，多线程提高单个程序效率，以QTcpSocket类进行网络编程。

通过控制轻型六轴机械臂运动实验，证明此控制软件有效、稳定，能解决界面卡死问题，具有良好的可扩展性与可移植性，界面友好，运行流畅。

关键词：TCP/IP通讯；图形界面卡死；QTcpSocket
DOIDOI：10.11907/rjdk.172360
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0124-04
0 引言
图1是六轴轻型机械臂控制系统。

控制软件安装在控制器里，示教器是控制器外的触屏。

控制器和示教器连在一起是低配的平板电脑，运算和储存要求不高。

PCAN又叫做PCAN-USB，是一个CAN转USB接口，通过它可以将CAN网络上的报文通过USB接口传输到PC 上，通过相关软件查看CAN报文。

PCAN的另一端连接控制器CAN卡，CAN卡与六轴机械臂相连。

使用Qt编写程序，语言为C++。

1 界面卡死原因
“界面卡死”是计算机系统由于过量的进程资源消耗，使图形界面进程受到影响的现象。

控制程序较为复杂的指令有发送和接收报文、进行运动轨迹规划等。

用户通过示教器的图形界面发出指令，在进行稍微复杂的处理时就会有延迟，使得界面（GUI）卡死。

对此进行改进，将控制器的程序拆分为两个，如图2所示。

一个程序是用户界面程序（GUI），称为RH-LBR，负责收集用户指令，另一个程序Communication_APP专门负责收集下位机发来的报文，以及通过GUI指令向下位机发送指令。

这样耗时的处理都由Communication_APP来处理，用户交互界面RH-LBR不会被卡死。

两个程序之间的通讯模式为TCP/IP。

2 建立TCP通讯
下面分别介绍RH_LBR和Communication_APP这两个程序里负责通讯的类。

CIRT_LBR_GUI类定义RH_LBR程序的GUI，有信号与槽函数和ControllerSocket类互通消息。

ControllerSocket类定义TCP里的用户端类。

Communication_APP程序里有TcpTransaction 类，主要定义TCP里的服务器端，见图3。

在RH_LBR程序的ControllerSocket类中，重要函数如下：①void ControllerSocket：：connectToController（）建立TCP连接；②void ControllerSocket：：readMessage（）接收Communication_APP这个程序发来的信息，会有对应的sendMessage函数在Communication_APP程序里；③void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）传输信息，使Communication_APP可以接收到信息。

在Communication_APP程序的TcpTransaction类中，重要函数有：①void TcpTransaction：：sessionOpened（）。

TCP通信的网络配置槽函数；②void TcpTransaction：：readMessage（）。

获取用户程序发送的全部报文，并解析后通过信号发送给子线程：HS_Interface；③void TcpTransaction：：sendMessage（const QString & Message）。

通过本函数将需要发送ControllerSocket类的信息发送出去。

2.1 RH_LBR用户界面程序两个主要类
RH_LBR程序里有两个主要类：CIRT_LBR_GUI和ControllerSocket类。

在CIRT_LBR_GUI类中用信号与槽函数调用ControllerSocket类中的startTCPConnection （）函数，建立TCP连接。

void CIRT_LBR_GUI：：initTCPConnection（）
{
开始新建socket的线程和socket的对象
TCPConnectionThread=new QThread；
controllerSocket=new ControllerSocket；
controllerSocket->moveToThread（TCPConnectionThread）；
下一行代码表示用GUI界面的信号函数触发ControllerSocket类的TCP连接函数：
connect（this，SIGNAL（startTCPConnection（）），controllerSocket，SLOT （startTCPConnection（）））；
下一行代码表示ControllerSocket类的TCP连接结果反馈给GUI界面：
connect（controllerSocket，SIGNAL（socketConnectionResult（bool）），this，SLOT （getSocketConnectionResult（bool）））；
TCPConnectionThread->start（）；开始事件循环}
下面是ControllerSocket类中定义的一些参数和槽函数。

QString ControllerSocket：：hostName="127.0.0.1"；TCP主机名，不是实际的，可自行设定
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（）））；读取socket发来的信息
}
void ControllerSocket：：startTCPConnection（）
{connectToController（）；}
void ControllerSocket：：connectToController（）
{socket->connectToHost（hostName，portNo）；
if（！socket->waitForConnected（））
{qDebug（）
dataInputStream.setDevice（socket）；
dataInputStream.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；}
下面的readMessage（）函数表示接收Communication_APP这个程序发来的信息，会有对应的sendMessage函数在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=mitTransaction（）；
if（committransaction）
{messages.push_back（message）；
parseMessage（message）；这个函数表示消息格式识别，具体代码省略，这个函数会发送Q_EMIT信号函数给CIRT_LBR_GUI类}}}
void ControllerSocket：：writeBytes（const QString & Message）
这个writeBytes函数传输信息，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（）
if（socket->state（）==QAbstractSocket：：ConnectedState）
{socket->write（block）；
socket->flush（）；}}
2.2 Communication_APP TCP通讯服务器端程序
Communication_APP程序最重要是TcpTransaction类，下面介绍如何建立TCP通讯和信息传递。

QTcpServer*tcpServer（tcp通信的服务器）；QTcpSocket*tcpsocket（tcp通信的socket）；
QDataStream in；用于和驱动器通信的子线程；
HardSoft_Interface*HS_Interface；这是和硬件连接的类，负责向下位机发送报文，不详细介绍。

QThread HS_Thread；管理HS_interface qthread类
TcpTransaction：：TcpTransaction（QWidget*parent）：QDialog（parent），statusLabel （new QLabel），tcpServer（Q_NULLPTR），HS_Interface（new HardSoft_Interface（）），HS_Thread（this）
{sessionOpened（）；TCP通信的网络配置槽函数，具体代码如下：
HS_Interface->moveToThread（&HS_Thread）；将HS_Interface移动到子线程
将信号与槽进行连接
QPushButton*quitButton=new QPushButton（tr（"Quit"））；
quitButton->setAutoDefault（false）；
connect（quitButton，&QAbstractButton：：clicked，this，&QWidget：：close）；
注意Initial函数表示每当一个新的客户端连接上服务器后，不管前面的客户端是否退出，应该delete之前的tcpsocket，而不只是修改服务器的tcpsocket指针指向：
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，服务器也必须退出，页面布局代码忽略}
void TcpTransaction：：sessionOpened（）
{tcpsocket=Q_NULLPTR；
tcpServer=new QTcpServer（this）；
QString testipaddress（"127.0.0.1"）；非实际值，只是示例
int port=30001；
if（！tcpServer->listen（QHostAddress（testipaddress），port））{listen函数
QMessageBox：：critical（this，tr（"Communication Server"），
tr（"Unable to start the server：%1."）
.arg（tcpServer->errorString（）））；
close（）；
return；}}
Initial函数步骤：①如果有客户连接到服务器，则delete以前的服务器tcpsocket，然后获取新的客户tcp指针；②连接上客户端后，将readyread信号和readmessage槽函数进行连接（见下面部分代码）；③将用户指令通过信号与槽和HS_interface进行连接；④开启
HS_INTERFACE线程。

void TcpTransaction：：Initial（）
{如果客户端退出，新客户端连接到服务器，若原来的tcpsocket不被销毁，可能会导致内存泄漏，所以删除之前的tcpsocket
if（tcpsocket）
delete tcpsocket；
tcpsocket=tcpServer->nextPendingConnection（）；
connect（tcpsocket，&QIODevice：：readyRead，this，&TcpTransaction：：readMessage）；
in.setDevice（tcpsocket）；将DataStream和当前的tcpsocket绑定
in.setVersion（QDataStream：：Qt_4_0）；设置DataStream的版本
将HS_interface发来的消息通过本线程发送给用户APP，sendMessage详细代码：
connect（HS_Interface，SIGNAL（SendMessage（QString）），this，SLOT（sendMessage （QString）））；
将所有用户发来的指令解析后发送给子线程：HS_Interface，由HS_Interface经过Pcan发送给can总线，从而和驱动器通信。

connect（this，SIGNAL（InitRobot（）），HS_Interface，SLOT（start（）））；初始化机器人
connect（this，SIGNAL（SetJointVel（const int&，const double&）），HS_Interface，SLOT（SetJointVel（const int&，const double&）））；等等，不一一列举。

HS_Thread.start（）；}开启子线程
下面的readMessage函数获取用户程序发送的全部报文，解析后通过信号发送给子线程：HS_Interface
void TcpTransaction：：readMessage（）
{
std：：vectormessages；
bool committransaction=true；
while（committransaction &&
tcpsocket->bytesAvailable（）>0）{
in.startTransaction（）；
QString message；
in>>message；
committransaction=mitTransaction（）；
if（committransaction）{
messages.push_back（message）；
int TcpExceptionCode；
MsgData messageData=parseMessage（message，TcpExceptionCode）；
检查TCP通信获得的字符串是否存在异常：
switch（TcpExceptionCode）{……
switch（messageData.type）{……
}}}}
通过sendMessage函数将需要发送的信息发送出去：
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 软件架构改进
通过以上步骤，将耗时的程序以及与下位机通讯的程序都转移为GUI界面卡死问题。

pcan 与can卡之间通讯不稳定，有很多超时现象，软件架构改进方向是：控制器和can卡采用TCP 直接通讯，不再借用pcan转换，使控制系统更加稳定，见图4。

通过控制轻型六轴机械臂运动，证明此软件有效，解决了界面卡死问题。

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