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[摘 要]介绍了6轴机械臂自动进样控制系统软件开发的一种软件设计方法。使用配置文件，降低了软件开发的复杂度以及与其他配套的管理软件的耦合度，使得配套软件设计时无需关心自动进样装置的具体硬件，通过调用中间件函数，做到硬件无关性。
[关键词]配置文件;自动进样;机械臂;中间件
[中图分类号]TP241 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–03
Design Method of Automatic Sampling Software for 6-axis
Robotic Arm Based on File Configuration
Wei Lie-xiang，Zhang Jing，Wang Tian-zhao，Liao Hui，Qin Jia-bao
[Abstract]A software design method for the software development of the 6-axis robotic arm automatic sampling control system is introduced. The use of configuration files reduces the complexity of software development and the degree of coupling with other supporting management software， so that the supporting software design does not need to care about the specific hardware of the automatic sampling device. By calling middleware functions， hardware independence is achieved.
[Keywords]configuration file; automatic sampling; robotic arm; middleware
多轴机械臂已经在自动进样系统中得到广泛应用。机械臂进样轨迹控制一般采用软件编程或PLC编程实现，当进样装置结构需要调整，点位位置发生变化或改变运行轨迹，增加功能时，则需要改动软件或重新对机械臂进行PLC编程，软件设计与硬件相关性太大，软件重复利用率很低，人员成本高。
針对上述问题，本文采用一种文件配置的方法，通过点位关节坐标文件和运动功能文件的配置，通过中间件函数调用，实现自动进样需要的各项运动和控制功能，管理软件无需知道自动进样装置硬件结构和运动原理就能实现需要的功能，无需软件设计人员参与，生产维护成本低。
1 自动进样装置的组成和工作原理
1.1 组成
自动进样装置由支架平台、6轴机械臂、样品托盘、摄像头、扫码装置、控制器和电脑组成。机械臂的运动驱动由控制器完成，运动算法由自动进样控制软件在电脑上实现。托盘上样品摆放位置按照多轨道设计，每个轨道样品位置地址顺序编址，第一轨道样品地址从1到M;第二轨道样品地址从M+1到N;第三轨道样品地址从N+1到K;第四轨道样品地址从K+1到L。摄像头可以检测样品托盘上实际存放了多少样品，存放在什么位置。扫码装置可以读出样品上的标签。如图1所示。
1.2 工作原理
系统管理软件首先通过摄像头，识别样品托盘上有多少个样品，样品摆放在什么位置，然后按照检测策略进样检测。自动进样主要有3个功能。
（1）送样。控制机械臂到样品托盘指定样品位置，抓取样品运动到扫码位置，识别样品编号，然后将样品送到检测系统指定的检测位置，将样品放好，机械臂抓手松开，机械臂返回到就绪位置。
（2）放回。机械臂从就绪位置到检测系统的检测位置，将样品抓起运动到样品托盘上需要放回的位置，机械臂回到就绪位置。
（3）重置。检测系统按一定算法，控制机械臂到样品托盘上抓取样品，运动到扫描位置，扫描样品标签，识别后再放到样品托盘上要求摆放的位置，反复操作，直到达到摆放要求，最后机械臂回到就绪位置，实现样品按照指定顺序重新摆放。
1.3 自动进样控制软件需求分析
由于自动进样装置有大有小，还有样品托盘可能是不规则圆形，样品摆放位置不同，运动轨迹会发生变化，需要软件设计以适合这些变化，尽量做到检测系统软件设计与具体进样设备物理形状无关。通过中间件来控制自动进样设备，设备的控制及操作可配置化。
2 软件设计
基于配置文件的自动进样中间件软件设计方法，即自动进样控制根据配置文件，根据不同的服务要求，在配置文件中设置不同的功能运动轨迹，以中间件的形式实现自动进样的运动轨迹控制和不同的控制功能。
2.1 配置文件的内容与组织方式
配置文件是自动进样软件中间件的核心，确定了控制点位的物理位置、机械臂的运动轨迹、运动速度和机械臂抓手的控制动作，同时能将不同的子功能序列组成特定主功能，所有主功能通过子功能序列组成，所有子功能由不同的单步运动序列组成，样品位置可以通过样品托盘的物理结构定义。
配置文件分为点位关节坐标文件、运动功能文件和操作功能配置文件。
点位关节坐标文件是与运动轨迹相关的运动点位位置的机械臂6轴关节坐标。由自动进样软件中间件读取使用，见表1。
运动功能文件是按照不同的运动功能要求，将一组单步运动顺序组织起来，控制机械臂完成一组相应动作的运动功能集合，由自动进样软件中间件读取使用，见表2。 操作功能配置文件由检测系统软件处理，检测系统软件根据要执行的自动进样操作功能，查找相应操作功能中的运动功能序列，调用自动进样控制软件中间件，完成相应自动进样操作，见表3。
举例说明：如需要完成机械臂从样品盘取样品放到检测位置进行检测，并且告诉检测系统这是什么样品。先从进样装置示意图上规划一条曲线，就绪点A（序号为：2L+1）→样品所在轨道的首位位置提升处（X_UPf）→样品所在位置提升处（X_UP）→样品位置（X_DOWN）+抓取→样品提升处（X_UP）→样品所在轨道首位位置提升处（X_DOWN）→扫描位置B（2L+2）+扫描→就绪位置A（2L+1）→样品检测入口位置C（2L+3）→样品检测位置D（2L+4）+松开→样品检测入口位置C（2L+3）→就绪位置A（2L+1）。
根据所需要取样样品位置，可以确定X_DOWN、X_UP和X_UPf这三个点位位置。
根据上面规划的轨迹路线，确定了12个单步运动序列，再确定这些序列是直线运动还是曲线运动和运动速度，在表2中就可以配置一个“送样”功能。
上述“送样”功能也可以分成两个或者多个功能组成的功能组，系统软件通过调用多个功能组同样能实现送样功能。
2.2 程序实现方法
自动进样控制软件中间件主要包含两个函数：单步运动函数和运动功能函数。
（1）单步运动函数。主要实现两点之间的运动及实现机械臂抓手的动作控制。
具体过程：读取运动功能文件中运行时间值，判断本单步运动是否需要控制机械臂作轨迹运动，如果值为零，则机械臂不做轨迹运动，直接判断机械臂末端是否需要动作，读取机械臂抓手动作类型，控制机械臂抓手相应动作。如果运行时间不为零，则将控制机械臂从上一单步运动的点位位置按照运动功能文件中的运动模式、文件中的运行时间做两点运动，完成后判断机械臂抓手是否有动作要求，如没有则本单步运动完成。见图2。
（2）运动功能函数。由多个单步运动序列按照运动功能要求，组成一个运动组合。
具体过程：打开运动功能文件（TrackTime.cvs），搜索该配置文件的运动功能栏目，将该运动功能中的点位位置栏目涉及的样品位置信息替换成指定需要操作的样品点位位置信息，并读取文件中运动功能栏目下所有单步运动序列信息，按照单步运动序列，依次调用单步运动函数，从而完成文件中运动功能栏目下的运动功能。运动功能流程见图3。
檢测系统软件的自动进样操作部分只需要简单调用上面自动进样的两个函数（中间件）即可。
具体：
如要将样品盘上第7个样品送到检测位置进行检测，这个功能在运动功能文件（TrackTime.cvs）中功能名是“送样”，用样品点位位置7和功能名“送样”作为参数调用运动功能函数，通过这个函数就能完成需要完成的送样功能。
为了增加软件的实用性，系统软件完成一个操作，通过增加几个空功能操作，调用多个功能组，即通过多次调用运动功能函数来实现。
3 结语
本文提出了一种基于配置的自动进样软件中间件设计方法：1.降低了软件设计的关联性，降低检测系统软件与自动进样控制软件之间的耦合度。2.自动进样设备物理尺寸发生改变不需要修改软件，通过修改配置文件即可。
参考文献
[1] 高天德，杨小丽.基于配置文件的自动化测试软件设计方法[J].测控技术，2009，28（6）：69-71，74.
[2] 何波玲，张志春，徐坤.基于外部配置文件的硬件检测软件生成方法研究[J].软件导刊，2015，14（6）：28-30.
[3] 玉龙，韦潜，蔡晴.一种基于读取和解析XML文件的设备自动配置方案[J].视听，2019（5）：6-8.
[4] 孟韶南，梁雁冰，师恒.基于ROS平台的六自由度机械臂运动规划[J].上海交通大学学报，2016，50（S1）：94-97.
[关键词]配置文件;自动进样;机械臂;中间件
[中图分类号]TP241 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–03
Design Method of Automatic Sampling Software for 6-axis
Robotic Arm Based on File Configuration
Wei Lie-xiang，Zhang Jing，Wang Tian-zhao，Liao Hui，Qin Jia-bao
[Abstract]A software design method for the software development of the 6-axis robotic arm automatic sampling control system is introduced. The use of configuration files reduces the complexity of software development and the degree of coupling with other supporting management software， so that the supporting software design does not need to care about the specific hardware of the automatic sampling device. By calling middleware functions， hardware independence is achieved.
[Keywords]configuration file; automatic sampling; robotic arm; middleware
多轴机械臂已经在自动进样系统中得到广泛应用。机械臂进样轨迹控制一般采用软件编程或PLC编程实现，当进样装置结构需要调整，点位位置发生变化或改变运行轨迹，增加功能时，则需要改动软件或重新对机械臂进行PLC编程，软件设计与硬件相关性太大，软件重复利用率很低，人员成本高。
針对上述问题，本文采用一种文件配置的方法，通过点位关节坐标文件和运动功能文件的配置，通过中间件函数调用，实现自动进样需要的各项运动和控制功能，管理软件无需知道自动进样装置硬件结构和运动原理就能实现需要的功能，无需软件设计人员参与，生产维护成本低。
1 自动进样装置的组成和工作原理
1.1 组成
自动进样装置由支架平台、6轴机械臂、样品托盘、摄像头、扫码装置、控制器和电脑组成。机械臂的运动驱动由控制器完成，运动算法由自动进样控制软件在电脑上实现。托盘上样品摆放位置按照多轨道设计，每个轨道样品位置地址顺序编址，第一轨道样品地址从1到M;第二轨道样品地址从M+1到N;第三轨道样品地址从N+1到K;第四轨道样品地址从K+1到L。摄像头可以检测样品托盘上实际存放了多少样品，存放在什么位置。扫码装置可以读出样品上的标签。如图1所示。
1.2 工作原理
系统管理软件首先通过摄像头，识别样品托盘上有多少个样品，样品摆放在什么位置，然后按照检测策略进样检测。自动进样主要有3个功能。
（1）送样。控制机械臂到样品托盘指定样品位置，抓取样品运动到扫码位置，识别样品编号，然后将样品送到检测系统指定的检测位置，将样品放好，机械臂抓手松开，机械臂返回到就绪位置。
（2）放回。机械臂从就绪位置到检测系统的检测位置，将样品抓起运动到样品托盘上需要放回的位置，机械臂回到就绪位置。
（3）重置。检测系统按一定算法，控制机械臂到样品托盘上抓取样品，运动到扫描位置，扫描样品标签，识别后再放到样品托盘上要求摆放的位置，反复操作，直到达到摆放要求，最后机械臂回到就绪位置，实现样品按照指定顺序重新摆放。
1.3 自动进样控制软件需求分析
由于自动进样装置有大有小，还有样品托盘可能是不规则圆形，样品摆放位置不同，运动轨迹会发生变化，需要软件设计以适合这些变化，尽量做到检测系统软件设计与具体进样设备物理形状无关。通过中间件来控制自动进样设备，设备的控制及操作可配置化。
2 软件设计
基于配置文件的自动进样中间件软件设计方法，即自动进样控制根据配置文件，根据不同的服务要求，在配置文件中设置不同的功能运动轨迹，以中间件的形式实现自动进样的运动轨迹控制和不同的控制功能。
2.1 配置文件的内容与组织方式
配置文件是自动进样软件中间件的核心，确定了控制点位的物理位置、机械臂的运动轨迹、运动速度和机械臂抓手的控制动作，同时能将不同的子功能序列组成特定主功能，所有主功能通过子功能序列组成，所有子功能由不同的单步运动序列组成，样品位置可以通过样品托盘的物理结构定义。
配置文件分为点位关节坐标文件、运动功能文件和操作功能配置文件。
点位关节坐标文件是与运动轨迹相关的运动点位位置的机械臂6轴关节坐标。由自动进样软件中间件读取使用，见表1。
运动功能文件是按照不同的运动功能要求，将一组单步运动顺序组织起来，控制机械臂完成一组相应动作的运动功能集合，由自动进样软件中间件读取使用，见表2。 操作功能配置文件由检测系统软件处理，检测系统软件根据要执行的自动进样操作功能，查找相应操作功能中的运动功能序列，调用自动进样控制软件中间件，完成相应自动进样操作，见表3。
举例说明：如需要完成机械臂从样品盘取样品放到检测位置进行检测，并且告诉检测系统这是什么样品。先从进样装置示意图上规划一条曲线，就绪点A（序号为：2L+1）→样品所在轨道的首位位置提升处（X_UPf）→样品所在位置提升处（X_UP）→样品位置（X_DOWN）+抓取→样品提升处（X_UP）→样品所在轨道首位位置提升处（X_DOWN）→扫描位置B（2L+2）+扫描→就绪位置A（2L+1）→样品检测入口位置C（2L+3）→样品检测位置D（2L+4）+松开→样品检测入口位置C（2L+3）→就绪位置A（2L+1）。
根据所需要取样样品位置，可以确定X_DOWN、X_UP和X_UPf这三个点位位置。
根据上面规划的轨迹路线，确定了12个单步运动序列，再确定这些序列是直线运动还是曲线运动和运动速度，在表2中就可以配置一个“送样”功能。
上述“送样”功能也可以分成两个或者多个功能组成的功能组，系统软件通过调用多个功能组同样能实现送样功能。
2.2 程序实现方法
自动进样控制软件中间件主要包含两个函数：单步运动函数和运动功能函数。
（1）单步运动函数。主要实现两点之间的运动及实现机械臂抓手的动作控制。
具体过程：读取运动功能文件中运行时间值，判断本单步运动是否需要控制机械臂作轨迹运动，如果值为零，则机械臂不做轨迹运动，直接判断机械臂末端是否需要动作，读取机械臂抓手动作类型，控制机械臂抓手相应动作。如果运行时间不为零，则将控制机械臂从上一单步运动的点位位置按照运动功能文件中的运动模式、文件中的运行时间做两点运动，完成后判断机械臂抓手是否有动作要求，如没有则本单步运动完成。见图2。
（2）运动功能函数。由多个单步运动序列按照运动功能要求，组成一个运动组合。
具体过程：打开运动功能文件（TrackTime.cvs），搜索该配置文件的运动功能栏目，将该运动功能中的点位位置栏目涉及的样品位置信息替换成指定需要操作的样品点位位置信息，并读取文件中运动功能栏目下所有单步运动序列信息，按照单步运动序列，依次调用单步运动函数，从而完成文件中运动功能栏目下的运动功能。运动功能流程见图3。
檢测系统软件的自动进样操作部分只需要简单调用上面自动进样的两个函数（中间件）即可。
具体：
如要将样品盘上第7个样品送到检测位置进行检测，这个功能在运动功能文件（TrackTime.cvs）中功能名是“送样”，用样品点位位置7和功能名“送样”作为参数调用运动功能函数，通过这个函数就能完成需要完成的送样功能。
为了增加软件的实用性，系统软件完成一个操作，通过增加几个空功能操作，调用多个功能组，即通过多次调用运动功能函数来实现。
3 结语
本文提出了一种基于配置的自动进样软件中间件设计方法：1.降低了软件设计的关联性，降低检测系统软件与自动进样控制软件之间的耦合度。2.自动进样设备物理尺寸发生改变不需要修改软件，通过修改配置文件即可。
参考文献
[1] 高天德，杨小丽.基于配置文件的自动化测试软件设计方法[J].测控技术，2009，28（6）：69-71，74.
[2] 何波玲，张志春，徐坤.基于外部配置文件的硬件检测软件生成方法研究[J].软件导刊，2015，14（6）：28-30.
[3] 玉龙，韦潜，蔡晴.一种基于读取和解析XML文件的设备自动配置方案[J].视听，2019（5）：6-8.
[4] 孟韶南，梁雁冰，师恒.基于ROS平台的六自由度机械臂运动规划[J].上海交通大学学报，2016，50（S1）：94-97.