王 碩

（中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100190）

機(jī)器人系列標(biāo)準(zhǔn)介紹
——《機(jī)器人ROBBUS通信總線》

王 碩

（中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100190）

本文介紹了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)器人ROBBUS通信總線》的撰寫(xiě)背景、起草過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容。

機(jī)器人，通信總線，模塊化

1 背景

近年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，發(fā)展速度越來(lái)越快。而如何依靠國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大專院校必須共同面對(duì)的重要課題。對(duì)此，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和發(fā)展歷程對(duì)于機(jī)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(guò)合理的上下游分工，建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈，逐步確立標(biāo)準(zhǔn)體系，吸引眾多不同專業(yè)的廠商加入，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造等環(huán)節(jié)上充分競(jìng)爭(zhēng)，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)性能提升、價(jià)格降低和市場(chǎng)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)和技術(shù)相關(guān)國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大專院校希望通過(guò)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在國(guó)家863計(jì)劃的大力支持下，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)、大專院校與新松、奇瑞、上海沃迪等國(guó)內(nèi)企業(yè)密切合作，開(kāi)展機(jī)器人模塊化關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)制定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)器人ROBBUS通信總線》就是在這一產(chǎn)學(xué)研密切合作過(guò)程中形成的標(biāo)準(zhǔn)化成果。

總線技術(shù)在服務(wù)機(jī)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(jià)值，并可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、方便維護(hù)。隨著基于總線技術(shù)設(shè)計(jì)的模塊化機(jī)器人部件的發(fā)展，基于總線技術(shù)的模塊化機(jī)器人也必將成為未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的主流之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)器人ROBBUS通信總線》正是針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)需求而組織制定的。

2 標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程

《機(jī)器人ROBBUS通信總線》由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)在2010年6月提出，并獲得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)進(jìn)入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：20100954-T-604）。在全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/ TC159）的支持下，由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所牽頭，邀請(qǐng)北京航空航天大學(xué)、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所、北京理工大學(xué)等機(jī)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(shí)、佛山勤聯(lián)等企業(yè)的專家共同組成標(biāo)準(zhǔn)工作組，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)起草工作。

經(jīng)過(guò)兩年多的工作，標(biāo)準(zhǔn)工作組完成了《機(jī)器人ROBBUS通信總線》的撰寫(xiě)。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

《機(jī)器人ROBBUS通信總線》是針對(duì)低成本、模塊化機(jī)器人而設(shè)計(jì)的一種通信總線標(biāo)準(zhǔn)?？偩€技術(shù)在中低端機(jī)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(jī)器人自身狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，對(duì)帶寬的要求也較低，但對(duì)成本、可靠性、成熟度、配套組件有較高的要求。針對(duì)這些特殊需求，結(jié)合企業(yè)和市場(chǎng)情況，標(biāo)準(zhǔn)工作組起草并形成了機(jī)器人實(shí)時(shí)控制總線ROBBUS。

《機(jī)器人ROBBUS通信總線》標(biāo)準(zhǔn)是一種無(wú)主式總線，具有良好的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性，抗干擾性強(qiáng)，適用于模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的模塊間通信，具有多通道特性。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了模塊化機(jī)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(jī)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(jī)器人中的通信總線亦可根據(jù)實(shí)際需要使用本標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)引用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通過(guò)增加新的屬性，使其更加適合模塊化機(jī)器人的需要，同時(shí)也可以充分利用企業(yè)和市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品方便機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中使用的名詞和術(shù)語(yǔ)，對(duì)模塊化機(jī)器人、模塊、部件、幀、管道、位圖、ROBBUS總線接口、ROBBUS節(jié)點(diǎn)、報(bào)文標(biāo)識(shí)符算進(jìn)行了定義和說(shuō)明?？偩€的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)和電氣標(biāo)準(zhǔn)引用了相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)總線協(xié)議格式和程序?qū)崿F(xiàn)給出了具體說(shuō)明。在總線協(xié)議設(shè)計(jì)上，充分考慮了與11位標(biāo)識(shí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)，傳輸層和應(yīng)用層允許針對(duì)機(jī)器人控制需求進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)鏈路層采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式和廣播方式相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，各模塊的地址號(hào)采用7位數(shù)據(jù)表示；傳輸層采用基于報(bào)文頭的數(shù)據(jù)打包方式，在29位報(bào)文頭中包含目的地址、源地址、幀號(hào)、管道號(hào)、幀類型等，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)冗錯(cuò)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)塊數(shù)據(jù)的打包傳輸，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)機(jī)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(duì)機(jī)器人系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量長(zhǎng)度不固定、實(shí)時(shí)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(zhǎng)度只有幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，又要能傳輸幾十或幾百字節(jié)的長(zhǎng)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(diǎn)信息，模塊間的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸格式等，允許針對(duì)機(jī)器人控制需求進(jìn)行修改。每個(gè)ROBBUS節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)信息的列表，包括節(jié)點(diǎn)基本信息、數(shù)據(jù)信息列表、節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的使用，本標(biāo)準(zhǔn)還以附錄形式介紹了一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，描述如何在一個(gè)典型的控制系統(tǒng)中使用本標(biāo)準(zhǔn)。

4 總結(jié)

本文介紹了《機(jī)器人ROBBUS通信總線》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)要說(shuō)明了制定標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、編制過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容。目前，機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部通信總線標(biāo)準(zhǔn)將有助于機(jī)器人模塊化的設(shè)計(jì)和模塊化機(jī)器人的生產(chǎn)、應(yīng)用和維護(hù)。

5 至謝

[1] 機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)課題組. 機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告-歷程、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)與政策. 兵器工業(yè)出版社，2009.

[2] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)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(xiàng)目獲國(guó)家863計(jì)劃資助，項(xiàng)目編號(hào)2012AA041402。