题目：面向工业机器人的开放式控制系统关键组件设计与验证

目前，工业机器人的应用范围和市场不断扩大，但是由于厂家的技术保护和研究者的各自为战，工业机器人的控制系统发展受到了很大的制约。工业机器人厂家和研究者进行了大量的重复性设计工作，但很多优秀的成果和经验却很难集成起来。而开放式、模块化的控制系统具有可移植性、可互换性、模块化、可扩展性和易获得性等诸多优点，只需要很少的修改就可以在不同需求的机器人上应用。因此本文依托国家863计划重点项目“机器人模块化体系结构设计”，对开放式工业机器人控制系统进行研究。首先，本文研究了工业机器人控制器的软硬件体系结构，从可扩展、模块化和兼容性的角度考虑，分别设计了基于嵌入式处理器和基于PC的工业机器人控制器硬件框架结构；分析了工业机器人的数据处理方式并结合工业机器人的特点，设计了基于处理流程的组件式软件平台框架。其次，在模块化的工业机器人控制器硬件框架下，分析了工业机器人主控制器和示教盒的需求，研制了工业机器人主控制器和机器人示教盒样机，定义了示教盒和主控制器之间的基于C/S结构的通信协议。根据工业机器人软件组件的粒度大小和处理流程分层次划分了工业机器人的组件。在Orocos软件框架下搭建了工业机器人的软件组件，详细设计了数据控制器组件、监视处理器组件、译码器组件和插补器组件等关键组件，实现了组件内部的状态机跳转和组件间的有效通信。并且提出了基于条件变量和事件的同步方法以及基于带优先级链式消息队列的同步方法，改善了Orocos软件框架的阻塞等待同步机制。最后，将设计的软硬件平台运用在一个六自由度串联关节式机器人，对系统的可行性和开放性等方面进行了实验验证，并分析了系统的实时性。实验证明了本文所设计的方案和平台可以有效地提高软硬件的复用能力和可移植性。