工业机器人控制系统架构
本文比较了机械臂和移动机器人两种工业机器人的控制系统方案，对其特点进行了介绍。
以上分类是根据应用对象，此外，市面上更多的是通用型运动控制器，即控制非标设备的。
1 控制器底层方案
1.1 机械臂类
机械臂类的控制器发展较早，相对成熟，先来看看现有的控制系统底层方案。
1.2 移动机器人类
移动机器人的控制器属于较新的方向，工业移动机器人有agv、无人驾驶工程机械等形式，控制系统底层方案如下：
1.3 对比
机械臂对精度和运动稳定性的要求较高，因此计算量大、周期短，比移动机器人一般要高1到2个量级。移动机器人一般对同步精度要求不高，其配置相对较低。
机械臂一般工作于固定的区域，其控制器通常放置于机箱内，因此防护等级不高，一般是ip20。
移动机器人由于需要经常运动，尤其是室外工程机械，要考虑防水防尘，其防护等级较高，一般是ip67。
2 codesys介绍
2.1 codesys的组成
你会发现，很多的机器人控制软件都是借助codesys实现的，那么什么是codesys呢？
codesys是一款付费的软plc开发软件，简单来说，它包括两部分：development system和runtime system。development system就是用来编程的软件界面（就像visual studio、eclipse等软件，也可以称为ide），设计、调试、编译plc程序都在ide中进行，这部分是用户经常打交道的；
plc程序写好了以后，就要把它转移到硬件设备中运行。可是这时生成的plc程序自己是无法运行的，它还要在一定的软件环境中才能工作，这个环境就是runtime system，这部分是用户看不到的。
二者安装的位置通常不同，ide一般安装在开发电脑上，runtime system则位于起控制作用的硬件设备上，二者一般使用网线连接，程序通过网线下载到runtime中运行。
codesys在国内知名度不高，但是在欧洲久负盛名，尤其在工业控制领域。我们上面提到的很多机器人公司都使用了它的产品，例如keba、倍福、固高，还有几乎所有的移动机器人控制器厂家。
设计codesys的3s公司只卖软件，不卖硬件。硬件电路需要由用户自己设计，3s公司负责将runtime system移植到客户的硬件上。runtime system可以裸跑在硬件上，但一般是运行在操作系统上，配置操作系统也是客户的工作。
如果客户要求，codesys的ide可以定制，换成客户的logo和外观，这就是为什么你会发现不同厂家的开发平台长得不一样，但风格又比较相似。
当然，用户也可以使用其它ide，例如倍福就使用了微软的visual studio，而背后的编译器等内核以及函数库仍然采用codesys的方案。
codesys的runtime具有强大的适应性，支持绝大多数的操作系统和硬件芯片架构。
2.2 codesys runtime原理
codesys的ide部分是免费的，你可以从其官网下载体验体验。真正收费的是运行系统runtime system。
codesys在设计之初就将功能划分为若干组件模块，例如总线协议栈、可视化界面、运动控制、安全控制等等，用户可以像搭积木一样选购必需的模块搭建自己的系统，最后形成一个定制化的控制软件平台。
一些初次接触软plc的用户可能对这部分感到陌生，但其实这种设计方式非常普遍。举几个例子，matlab simulink的实时工具箱（real-time）就是这样的工作方式，用户在simulink的图形界面里通过拖拽设计控制程序，然后下载到真实的硬件中跑，可以在这里了解。
还有像倍福也是这样的使用方式，用户在twincat ide里进行编程，然后下载到倍福的控制器中，控制器里面其实已经预装了一个runtime。西门子的step7也是一款ide，它的plc中也存在一个配套的runtime。
用户编写的plc程序就像我们电脑里的应用程序，它运行在runtime system上，而runtime system又运行在操作系统之上。
runtime system位于应用程序和操作系统之间。所以可以被称为中间件（middleware）。在机器人软件里面，处于同样地位的还有ros、orocos（real-time toolkit）等等。
机器人的控制，像数控机床一样，对实时性有要求，因此我们选择的操作系统最好是实时操作系统（rtos）。遗憾的是，我们经常用的操作系统都不是实时的，例如windows和linux。但幸运的是，有人对它们进行了改造，也就是加入实时补丁。
常用的实时操作系统有：vxworks、qnx、windows rtx、xenomai、rt linux、linux rtai、wince、μc/os、sylixos等等。考虑到windows和linux这两款操作系统的用户较多，codesys推出了相应的实时补丁（rte），为用户免去了改造的烦恼。
想了解更多的codesys runtime信息可以阅读官方的文档[math processing error] [1][2][1][2]。
2.3 codesys的缺点
codesys给我们开发控制器带来了便利，省去了从零开始的麻烦，但是依靠codesys这类商业软件开发自己的控制器产品也存在不少的缺点：
（1）底层算法不公开
codesys集成的运动控制组件、总线协议栈都是封装好的，用户无法了解其内部细节，也无法针对自己的具体需求进行定制优化，只能简单地调用。用户只能依附于codesys平台，难以形成自己的核心技术。
（2）功能有限，难以扩展
现在以机器视觉、人工智能、自动驾驶等为代表的新技术突飞猛进，而工业控制上的很多技术仍然停留在20年前。以移动机器人中的导航场景为例，基于视觉或者激光的导航方法需要采集大量的数据并对其进行处理，其中涉及相当多的矩阵计算。
而现在plc只能进行落后的一维数字计算，难以实现复杂的算法。与人工智能圈子喜欢开源的风格正好相反，工业控制圈子相互封闭，谁都不肯开放自家的函数库，开源函数库极少（oscat），就连最基本的滤波算法、矩阵计算都要自己从头开始写。而且，国际标准提供的基本函数太过有限，完全无法适应新的场景，急需扩展。
（3）难以更新
由于完全依赖codesys，客户自己产品硬件的升级换代需要重新定制移植，导致成本增加。
3 开源方案
目前存在一些开源的控制系统方案，例如beremiz、orocos、openplc、openrtm、orca。
开发机器人控制器是个繁重的工作，要明确一系列性能要求，首先是实时性。
实时性对于工业机器人来说一般是必须的，对于服务或娱乐机器人则未必。一般人很容易错把“实时性”理解为处理或者响应速度快，但是其实“实时性”表示时间上的“确定性”，例如实时操作系统（rtos）中的中断响应或者进程切换的延迟时间一定是在一个时间范围内。
我们常用的操作系统（windows、linux）都不是实时操作系统，因为它们设计的初衷是吞吐量，不能保证每个事件都在一定范围内得到处理。再比如，标准以太网的传输速度比实时工业以太网快多了，但是它也却不是实时的，因为它同样不能保证数据在给定的时间内完成传输。
理解实时性不太难，可是机器人哪些的任务需要实时运行呢？如何根据机器人的性能要求确定程序运行的时间间隔呢（是1ms还是10ms）？实时性取决于硬件还是软件呢？
如何根据实时性选择具体的软硬件呢（该选择arm还是x86、linux rtai还是vxworks）？网上缺少这方面的深入讨论，各大机器人厂家也不会公开自己的测试和试验结果，似乎这方面主要依靠经验和试错。
这里我也只能提供几个指标，目前工业机械臂的控制周期是1ms左右，性能较高的伺服驱动器位置环的控制周期可以达到125[math processing error] mu sμs。
plcopen定义了伺服和运动控制的一些标准，包括编程语言、运动控制基础函数块（function block）、输入输出接口的参数等[math processing error] ^{[3]}
[3]具体的实现代码细节，这个是由各个厂家提供的。
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1.1 机械臂类
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1.2 移动机器人类
移动机器人的控制器属于较新的方向，工业移动机器人有agv、无人驾驶工程机械等形式，控制系统底层方案如下：
1.3 对比
机械臂对精度和运动稳定性的要求较高，因此计算量大、周期短，比移动机器人一般要高1到2个量级。移动机器人一般对同步精度要求不高，其配置相对较低。
机械臂一般工作于固定的区域，其控制器通常放置于机箱内，因此防护等级不高，一般是ip20。
移动机器人由于需要经常运动，尤其是室外工程机械，要考虑防水防尘，其防护等级较高，一般是ip67。
2 codesys介绍
2.1 codesys的组成
你会发现，很多的机器人控制软件都是借助codesys实现的，那么什么是codesys呢？
codesys是一款付费的软plc开发软件，简单来说，它包括两部分：development system和runtime system。development system就是用来编程的软件界面（就像visual studio、eclipse等软件，也可以称为ide），设计、调试、编译plc程序都在ide中进行，这部分是用户经常打交道的；
plc程序写好了以后，就要把它转移到硬件设备中运行。可是这时生成的plc程序自己是无法运行的，它还要在一定的软件环境中才能工作，这个环境就是runtime system，这部分是用户看不到的。
二者安装的位置通常不同，ide一般安装在开发电脑上，runtime system则位于起控制作用的硬件设备上，二者一般使用网线连接，程序通过网线下载到runtime中运行。
codesys在国内知名度不高，但是在欧洲久负盛名，尤其在工业控制领域。我们上面提到的很多机器人公司都使用了它的产品，例如keba、倍福、固高，还有几乎所有的移动机器人控制器厂家。
设计codesys的3s公司只卖软件，不卖硬件。硬件电路需要由用户自己设计，3s公司负责将runtime system移植到客户的硬件上。runtime system可以裸跑在硬件上，但一般是运行在操作系统上，配置操作系统也是客户的工作。
如果客户要求，codesys的ide可以定制，换成客户的logo和外观，这就是为什么你会发现不同厂家的开发平台长得不一样，但风格又比较相似。
当然，用户也可以使用其它ide，例如倍福就使用了微软的visual studio，而背后的编译器等内核以及函数库仍然采用codesys的方案。
codesys的runtime具有强大的适应性，支持绝大多数的操作系统和硬件芯片架构。
2.2 codesys runtime原理
codesys的ide部分是免费的，你可以从其官网下载体验体验。真正收费的是运行系统runtime system。
codesys在设计之初就将功能划分为若干组件模块，例如总线协议栈、可视化界面、运动控制、安全控制等等，用户可以像搭积木一样选购必需的模块搭建自己的系统，最后形成一个定制化的控制软件平台。
一些初次接触软plc的用户可能对这部分感到陌生，但其实这种设计方式非常普遍。举几个例子，matlab simulink的实时工具箱（real-time）就是这样的工作方式，用户在simulink的图形界面里通过拖拽设计控制程序，然后下载到真实的硬件中跑，可以在这里了解。
还有像倍福也是这样的使用方式，用户在twincat ide里进行编程，然后下载到倍福的控制器中，控制器里面其实已经预装了一个runtime。西门子的step7也是一款ide，它的plc中也存在一个配套的runtime。
用户编写的plc程序就像我们电脑里的应用程序，它运行在runtime system上，而runtime system又运行在操作系统之上。
runtime system位于应用程序和操作系统之间。所以可以被称为中间件（middleware）。在机器人软件里面，处于同样地位的还有ros、orocos（real-time toolkit）等等。
机器人的控制，像数控机床一样，对实时性有要求，因此我们选择的操作系统最好是实时操作系统（rtos）。遗憾的是，我们经常用的操作系统都不是实时的，例如windows和linux。但幸运的是，有人对它们进行了改造，也就是加入实时补丁。
常用的实时操作系统有：vxworks、qnx、windows rtx、xenomai、rt linux、linux rtai、wince、μc/os、sylixos等等。考虑到windows和linux这两款操作系统的用户较多，codesys推出了相应的实时补丁（rte），为用户免去了改造的烦恼。
想了解更多的codesys runtime信息可以阅读官方的文档[math processing error] [1][2][1][2]。
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codesys给我们开发控制器带来了便利，省去了从零开始的麻烦，但是依靠codesys这类商业软件开发自己的控制器产品也存在不少的缺点：
（1）底层算法不公开
codesys集成的运动控制组件、总线协议栈都是封装好的，用户无法了解其内部细节，也无法针对自己的具体需求进行定制优化，只能简单地调用。用户只能依附于codesys平台，难以形成自己的核心技术。
（2）功能有限，难以扩展
现在以机器视觉、人工智能、自动驾驶等为代表的新技术突飞猛进，而工业控制上的很多技术仍然停留在20年前。以移动机器人中的导航场景为例，基于视觉或者激光的导航方法需要采集大量的数据并对其进行处理，其中涉及相当多的矩阵计算。
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我们常用的操作系统（windows、linux）都不是实时操作系统，因为它们设计的初衷是吞吐量，不能保证每个事件都在一定范围内得到处理。再比如，标准以太网的传输速度比实时工业以太网快多了，但是它也却不是实时的，因为它同样不能保证数据在给定的时间内完成传输。
理解实时性不太难，可是机器人哪些的任务需要实时运行呢？如何根据机器人的性能要求确定程序运行的时间间隔呢（是1ms还是10ms）？实时性取决于硬件还是软件呢？
如何根据实时性选择具体的软硬件呢（该选择arm还是x86、linux rtai还是vxworks）？网上缺少这方面的深入讨论，各大机器人厂家也不会公开自己的测试和试验结果，似乎这方面主要依靠经验和试错。
这里我也只能提供几个指标，目前工业机械臂的控制周期是1ms左右，性能较高的伺服驱动器位置环的控制周期可以达到125[math processing error] mu sμs。
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