一种新型轻型机械臂示教软件架构设计

王祺+王堃+张璇琛

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用户界面程序兩个主要类

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}endprint

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

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=dataInputStream.commitTransaction（）；

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（）<<"to server："<

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

{socket->write（block）；

socket->flush（）；}}

2.2 Communication_APP TCP通訊服务器端程序

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函數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=in.commitTransaction（）；

if（committransaction）{

messages.push_back（message）；

int TcpExceptionCode；

MsgData messageData=parseMessage（message，TcpExceptionCode）；

檢查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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