Online Programmierung von Robotersystemen gemäß der OPEN ROBOT INTERFACE (ORI) - ARCHITECTURE

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1 DIPLOMARBEI Online Programmierung von Robotersystemen gemäß der OPEN ROBO INERFACE (ORI) ARCHIECURE ausgeführt am Institut für Fertigungstechnik der echnischen Universität Wien unter der Anleitung von O.Univ.Prof. Dipl.Ing. Dr.techn. Weseslindtner Helmar und Univ.Ass. Dipl.Ing. Stopper Markus als verantwortlich mitwirkenden Universitätsassistenten durch Robert Panzirsch Herklotzgasse 7/7 5 Wien Wien,.3.999

2 Danksagung Mein Dank gilt Herrn O.Univ.Prof. Dipl.Ing. Dr.techn. Weseslindtner Helmar, daß er diese Arbeit ermöglicht hat, meinem Betreuer Univ.Ass. Dipl.Ing. Markus Stopper für zahlreiche Anregungen und das Beisteuern zusätzlicher Informationen, Hrn. Dipl.Ing. Bernhard Angerer für seine ausgezeichnete Hilfe bei der Implementierung in Delphi sowie meiner Freundin Belinda Zottl für ihre Geduld und Unterstützung beim Studium.

3 Inhaltsverzeichnis. EINLEIUNG OBJEKORIENIERE PROGRAMMIERUNG (OOP) Einleitung Kapselung Vererbung Polymorphismus Aggregation OOP IN DELPHI Einleitung PROPERIES MEHODEN EVENS ORI IM ENWICKLUNGSSYSEM DELPHI Einleitung OPEN ROBO INERFACE (ORI) ARCHIECURE DELPHIS IDE Komponenten in der IDE SCHICHENRENNUNG UND ORI KOMPONENEN Einleitung ROBO PHYSICAL LAYER (RPL) ROBO COMMUNICAION LAYER (RCL) ROBO FUNCION LAYER (RFL) ROBO APPLICAION LAYER (RAL) ORI Komponenten ROBOER HARDWARE Einleitung Mechanischer eil Arbeitsbereich Koordinatensysteme Rechtwinkeliges sockelorientiertes Koordinatensystem Rechtwinkeliges handgelenkorientiertes Koordinatensystem Rechtwinkeliges werkzeugorientiertes Koordinatensystem Roboterachsenkoordinatensystem Steuerung PROGRAMMING UNI...25

4 6.7. Schnittstellen ROBOER PROOKOLLE Einleitung RS Hardwareverbindung Konfiguration ADLP Einleitung Steuerzeichen Kommunikationsphasen Sicherungsmechanismen KommunikationsBeispiele ARAP Einleitung elegrammaufbau elegrammtypen FUNCION CODES IMPLEMENIERUNG DER ORI KOMPONENEN Einleitung RS Konfiguration Schnittstelle zu ADLP Der imer ADLP Konfiguration Schnittstelle zu ARAP ARAP Konfiguration Schnittstelle zu Anwendungen bzw. RAL Spezielle Datenstrukturen RPOIN EXCEPIONS BEISPIEL ANWENDUNG ORIDEMO Einleitung Oberfläche Programmierdetails Aufruf einer RAL Funktion...63

5 EACHING und MESSAGES BUSY SCHLUßWOR ANHANG FUNCION CODES FUNCION CODE : Roboterprogramm senden FUNCION CODE 2: Programm starten FUNCION CODE 3: Programm stoppen FUNCION CODE 4: CP Register lesen FUNCION CODE 5: LOCAION Register lesen FUNCION CODE 6: Register DAA lesen FUNCION CODE 7: SENSOR Register lesen FUNCION CODE 8: DIGIAL INPUS lesen FUNCION CODE 9: DIGIAL OUPUS lesen FUNCION CODE : CONFIGURAION DAA lesen FUNCION CODE : FRAME Register lesen FUNCION CODE 2: CP Register schreiben FUNCION CODE 3: LOCAION Register schreiben FUNCION CODE 4: Register DAA schreiben FUNCION CODE 5: SENSOR Register schreiben FUNCION CODE 6: DIGIAL OUPUS schreiben FUNCION CODE 7: CONFIGURAION DAA schreiben FUNCION CODE 8: FRAME Register schreiben FUNCION CODE 9: SAUS lesen FUNCION CODE 2: MODE schreiben FUNCION CODE 2: PROGRAM SAUS lesen FUNCION CODE 22: Programm löschen FUNCION CODE 23: Programm von Diskette laden FUNCION CODE 24: Bewegung FUNCION CODE 29: Roboter Programm empfangen FUNCION CODE 72: EACHING FUNCION CODE 27: SPONANEOUS MESSAGE Beispiel Anwendung ORIDEMO, Listing Literaturverzeichnis ASCII CODE abelle...36

6 Seite 5. Einleitung Die Programmierung von Robotern war bisher nur in sehr Maschinen oder Firmen spezifischer Weise und ohne allgemeine Standards möglich. Objektorientierte Programmierung und Komponententechnologie hat es auf diesem Gebiet bisher kaum gegeben. Anwender waren oft gezwungen, mit Firmen spezifischen ools zu arbeiten. Sichere, strukturierte, objektorientierte oder grafische Programmierung war daher nicht möglich. Auch die Wiederverwendbarkeit von einmal programmierten Modulen war nur sehr eingeschränkt möglich. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung der OPEN ROBO INERFACE (ORI) ARCHIECURE [SOPPER] bietet die Möglichkeit, auf höchstem Programmierniveau Anwendungen zur Steuerung von Robotern zu schreiben. ORI selbst ist keine Anwendung, sondern eine Architektur, die einerseits ein Interface mit Standard Roboterfunktionen bietet und andererseits durch den modularen Aufbau universell für jeden Roboter einsetzbar ist. Die ORI Architektur ist in Schichten gegliedert, die über klar definierte Schnittstellen miteinander kommunizieren. Es ist daher problemlos möglich, Schichten zu tauschen, solange das Interface sich nicht ändert. Die Implementierung erfolgte in DELPHI. In dieser Entwicklungsumgebung sind grafische Programmierung, Objektorientierung und Debugging hervorragend unterstützt. Die Architektur ist prinzipiell nicht auf Roboter beschränkt, sondern kann für jede Art von Maschine verwendet werden. Die derzeit implementierte Version von ORI beschränkt sich allerdings auf die Steuerung von Robotern. Der Inhalt der Arbeit beginnt mit theoretischen Begriffen zu Objektorientierung und wie diese in DELPHI anzuwenden sind. DELPHIS Entwicklungssystem und die Einbindung von ORI sind im folgenden Kapitel erläutert. Danach wird auf die ORI Komponenten eingegangen und die Schichten erklärt. Nach einer Einführung in die Roboter Hardware des ABB IRB 2 folgen die Roboter Protokolle. Es wird die serielle Schnittstelle, das ADLP und das ARAP Protokoll erläutert. Auch die Implementierung dieser Protokolle in ORI wird erklärt. Zuletzt wird die Beispiel Anwendung ORIDEMO vorgestellt, welche die Verwendung von ORI vorführt. Im Anhang sind alle implementierten Roboter Funktionen und die Beispiel Anwendung abgedruckt.

7 Seite 6 2. Objektorientierte Programmierung (OOP) 2.. Einleitung Objektorientierte Programmierung hat klare Vorteile gegenüber einer ausschließlich strukturierten Programmierweise. Wichtigste Eigenschaften sind Daten Kapselung, Vererbung und Polymorphismus. Dieses Kapitel widmet sich den prinzipiellen Gedanken objektorientierter Programmierung, während das Folgende sich mit spezielleren Ausprägungen in DELPHI befaßt Kapselung Daten Kapselung ist eine der wesentlichen Eigenschaften objektorientierter Programmierung. Objektattribute werden von der Außenwelt versteckt der Zugriff kann nur über Prozeduren oder Funktionen erfolgen. Durch dieses Kapselung werden unberechtigte Zugriffe unmöglich gemacht. Seiteneffekte, wie sie beim Verwenden von globalen Variablen auftreten, können vermieden werden. Kapselung wird auch oft als INFORMAION HIDING bezeichnet. Dazu das Beispiel eines Bankkontos: FName FLimit Konto SetLimit(NewLimit : Integer) GetLimit() Die Klasse KONO hat das private Attribut FLIMI: YPE Konto = Class PRIVAE FLimit: Integer; PUBLIC FName: String;

8 Seite 7 PROCEDURE SetLimit(NewLimit: Integer); PROCEDURE GetLimit(); END; Dieses Attribut kann nur über die Methode SELIMI gesetzt und über die Prozedur GELIMI gelesen werden: PROCEDURE SetLimit(NewLimit: Integer); BEGIN IF PasswordOK HEN FLimit:=NewLimit; END; Damit ist es nun nicht mehr möglich, daß unbefugte Personen das Kontolimit setzen. FNAME hingegen ist ein öffentlich zugängliches Attribut, d.h., daß dieses Attribut auch außerhalb der Klasse gelesen und geschrieben werden kann Vererbung Eine der hilfreichsten Eigenschaften der objektorientierten Programmierung ist die Vererbung. Sie wird verwendet, um aus allgemeineren Klassen speziellere abzuleiten. Auf diese Weise können Prozeduren einer Basisklasse in den Nachfolgern ohne zusätzlichen Programmieraufwand verwendet werden. Diesmal ein Beispiel mit Kraftfahrzeugen: PKW FEngine Drive() LKW FLoad Die Basisklasse PKW mit dem Attribut FENGINE und der Prozedur DRIVE vererbt dem Nachfolger LKW alle Attribute und Prozeduren. Somit steht auch in der Klasse LKW die

9 Seite 8 Prozedur DRIVE zur Verfügung, ohne neuerliche Definition. Zusätzlich kann dieser Nachfolger aber weitere Attribute und Prozeduren einbringen. In der Grafik ist die Vererbung durch einen Generalisierungspfeil vom Nachfolger zum Vorgänger dargestellt. Wird ein Objekt LKW erzeugt, so werden zwar die Attribute und Prozeduren von PKW erzeugt, PKW selbst tritt aber in diesem Fall nicht als eigenständige Klasse auf. LKW ist also ein eigenes Objekt für sich. Diese und die folgenden Grafiken entsprechen der UML (UNIFIED MODELING LANGUAGE) Notation. UML ermöglicht die einheitliche Darstellung von Klassen und deren Beziehungen zu einander Polymorphismus Die Grafik zeigt eine Klasse EILE mit der virtuellen Prozedur DRAW. Virtuell heißt, daß diese Klasse das Interface definiert, aber nicht die Implementierung der Prozedur. KREIS und DREIECK erben von diesem Vorgänger, haben aber selbst auch DRAW Prozeduren, die nun die eigentliche Implementierung dieser Prozedur enthalten. eile Draw() Kreis Draw() Dreieck Draw() Man kann nun einer Variablen vom yp EILE ein bestimmtes Objekt zuweisen und dieses zeichnen: VAR eil: eile; BEGIN eil:=kreis; eil.draw; [...]

10 Seite 9 eil:=dreieck; eil.draw; END; Im ersten Fall wird ein Kreis und im zweiten Fall ein Dreieck gezeichnet, obwohl in beiden Fällen die selbe Funktion DRAW verwendet wird. Dieses unterschiedliche Verhalten einer Prozedur abhängig vom Kontext nennt man Polymorphismus Aggregation Es gibt jedoch auch Objekte, die für sich alleine nicht existieren können. Z.B. hat eine Schaltfläche auf einem Fenster nur dann Sinn, wenn das Fenster existiert. Fenster Schaltfläche Diese Beziehung zwischen Klassen wird Aggregation genannt. Das Fenster besitzt gewissermaßen die Schaltfläche oder anders ausgedrückt, die Schaltfläche ist eil des Fensters und hat alleine keine Existenz. Wird das Fenster gelöscht, verschwindet auch die Schaltfläche. In der Grafik ist dies durch eine Raute gekennzeichnet, die zur Hauptklasse zeigt.

11 Seite 3. OOP in DELPHI 3.. Einleitung In diesem Kapitel werden die DELPHI spezifischen objektorientierten Begriffe näher erläutert PROPERIES Unter PROPERIES versteht man in DELPHI jene Attribute eines Objekts, die mit dem Schlüsselwort PROPERY definiert wurden. FName FLimit Konto SetLimit(NewLimit : Integer) GetLimit() Für das obige Beispiel lautet die Klassendefinition: YPE Konto = Class PRIVAE FLimit: Integer; PUBLIC FName: String; PROCEDURE SetLimit(NewLimit: Integer); PROCEDURE GetLimit(); PROPERY FLimit: Integer READ GetLimit WRIE SetLimit; PROECED PUBLISHED END;

12 Seite Das Objekt KONO besitzt das PROPERY FLIMI. In DELPHI gibt es vier Zugriffsarten: PRIVAE PUBLIC PROECED PUBLISHED FLIMI steht im PRIVAE Bereich und ist daher außerhalb der Klasse nicht sichtbar. Im Gegensatz dazu steht FNAME im PUBLIC Bereich und ist auch außerhalb zu sehen. Der PROECED Bereich ist für Benützer der Klasse nicht sichtbar, wohl aber für Klassen, die von dieser Klasse erben. Der letzte Bereich PUBLISHED ist ähnlich dem PUBLIC Bereich auch außen sichtbar, zusätzlich sind aber PROPERIES in diesem Bereich im OBJEC INSPECOR sichtbar. Der OBJEC INSPECOR ist ein Fenster in DELPHIS Entwicklungsumgebung, mit dem man PROPERIES von Objekten Werte zuweisen kann. Der Unterschied zwischen dem direkt zugänglichen Attribut FNAME und dem PROPERY FLIMI besteht darin, daß FLIMI sogenannte riggermethoden GELIMI und SELIMI besitzt. Diese Methoden werden beim Lesen und Schreiben des Attributs automatisch ausgelöst und können daher beim Zugriff auf das Attribut weitere Aktionen auslösen. Z.B. kann die riggermethode SELIMI eine Bereichsüberprüfung durchführen MEHODEN In DELPHI werden die Prozeduren und Funktionen einer Klasse MEHODEN genannt. FName FLimit Konto SetLimit(NewLimit : Integer) GetLimit() Im obigen Beispiel ist SELIMI und GELIMI eine MEHODE der Klasse KONO. Der Zugriff auf diese Methoden wird, wie bei den PROPERIES, über die Bereiche PRIVA, PUBLIC, PROECED und PUBLISHED geregelt.

13 Seite EVENS Ereignisse, wie z.b. das Betätigen einer Schaltfläche oder der Ablauf eines IMERS lösen in DELPHI sogenannte EVENS aus. Auf diese Ereignisse kann in weiterer Folge reagiert werden. Das Beispiel zeigt den CLICK EVEN, der durch Betätigen einer Schaltfläche ausgelöst wird. In der Prozedur BUONCLICK wird dann auf dieses Ereignis reagiert:

14 Seite 3 4. ORI im Entwicklungssystem DELPHI 4.. Einleitung Als Entwicklungssystem für die Implementierung der ORI Architektur wurde DELPHI gewählt. DELPHI bietet in Bezug auf Objektorientierung, Umfang und Weiterentwicklung die beste Wahl. DELPHI bietet Unterstützung für COM/DCOM, abstrakte Datentypen, einen schnellen 32Bit Compiler, MEHOD OVERLOADING, dynamische Arrays und 64Bit INEGER. Das Kapitel beschäftigt sich mit dem INEGRAED DEVELOPMEN ENVIRONMEN (IDE) und wie Anwendungen mit den ORI Komponenten geschrieben werden können OPEN ROBO INERFACE (ORI) ARCHIECURE Die ORI Architektur ist ein Komponenten orientiertes Schichtensystem zur Steuerung von Robotern. Es bietet in jeder dieser Schichten ein klar definiertes Interface. Auch die oberste Schicht bietet dieses Interface und stellt es Anwendungen zur Verfügung. ORI selbst ist also keine Anwendung, sondern besteht aus Komponenten, die das Programmieren von Anwendungen zur Steuerung von Robotern extrem vereinfacht. Details zum Aufbau von ORI finden sich im folgenden Kapitel Schichtentrennung und ORI Komponenten. Natürlich ist diese Architektur nicht auf Roboter beschränkt, sondern kann auch für andere Maschinen verwendet werden DELPHIS IDE IDE steht für INEGRAED DEVELOPMEN ENVIRONMEN, also DELPHIS Entwicklungsumgebung. Diese Umgebung ermöglicht das Erstellen von Oberflächen (FORMS), das Programmieren von Code in einem Editor, Editieren der Eigenschaften von Objekten im OBJEC INSPECOR, Übersetzen des Codes sowie einen hervorragenden Debugger:

15 Seite 4 Auf der Form sind bereits zwei Komponenten aus dem ORI PACKAGE zu sehen. Diese sind aus DELPHIS COMPONEN LIBRARY zu wählen Komponenten in der IDE Die Komponenten im Detail: Von links nach rechts stehen RS232, EHERNE, ADLP, ARAP und die RAL Komponente zu Verfügung. Für extausgaben aus diesen Komponenten ist eine CONSOLE Komponente vorhanden. Auch weitere Roboter können durch Komponenten eingebunden werden (IBMROBOER). Zuletzt kann die Funktionalität auch durch andere Komponenten, wie z.b. Palettenfunktionen, erweitert werden (ROBOERPALEE). Diese letzteren, Roboter unabhängigen Komponenten stellen bereits Erweiterungen des ORI Konzepts dar und werden in dieser Arbeit nicht behandelt.

16 Seite 5 5. Schichtentrennung und ORI Komponenten 5.. Einleitung Dieses Kapitel beschreibt die logische Aufteilung in Schichten sowie die objektorientierte Aufteilung in Klassen: RAL Robot Application Layer RFL Robot Function Layer ARAP... RCL Robot Communication Layer ADLP... RPL Robot Physical Layer RS232 EHERNE... Logisch und funktionell gliedert sind der Aufbau in drei Schichten. Die unterste Schicht ist der ROBO PHYSICAL LAYER, die RPL Schicht. Sie ist für das Übertragen von Bits zuständig. Zur Wahl steht die RS232 Komponente bzw. in Zukunft auch eine EHERNE Komponente. Der darüberliegende ROBO COMMUNICAION LAYER, die RCL Schicht, verwendet die RPL Schicht und ist selbst für das Übertragen von

17 Seite 6 elegrammen zuständig. Der für die Roboterfunktionalität zuständige, darüberliegende ROBO FUNCION LAYER, die RFL Schicht, bedient sich der RCL Schicht und stellt Roboterfunktionen z.b. für die Bewegung zur Verfügung. Der ganz oben liegende ROBO APPLICAION LAYER, die RAL Schicht, dient als einheitliche Schnittstelle zu den Anwendungen und hat selbst keine interne Funktionalität. RPL, RCL und RFL sind abstrakte Klassen. D.h., daß diese Klassen nur das Interface definieren, aber nicht die Implementierung. So wird z.b. in der Klasse RFL das Interface der Methode MOVE definiert, die tatsächliche Implementierung erfolgt aber dann in der ARAP Klasse ROBO PHYSICAL LAYER (RPL) RPL vererbt das abstrakte Interface entweder an die RS232 Komponente oder in Zukunft z.b. auch an die Ethernet Komponente, welche dieses dann implementieren. RPL Robot Physical Layer RS232 EHERNE... In der darüberliegenden Schicht (ADLP Protokoll) kann die aktuelle Komponente durch ein PROPERY im OBJEC INSPECOR festgelegt werden (AGGREGAION): 5.3. ROBO COMMUNICAION LAYER (RCL) RCL vererbt an das eingestellte Kommunikationsprotokoll, hier ist ADLP ausgewählt.

18 Seite 7 RCL Robot Communication Layer ADLP... Wieder kann diese Einstellung über den OBJEC INSPECOR gewählt werden: Die ARAP Komponente (darüberliegende Schicht) besitzt dazu das PROPERY RCL ROBO FUNCION LAYER (RFL) Als letzte Schicht mit Funktionalität vererbt RFL an das gewählte ARAP Protokoll: RFL Robot Function Layer ARAP... Im darüberliegenden RAL kann das gewünschte Protokoll aggregiert werden:

19 Seite 8 Wieder ist dazu das PROPERY RFL in der RAL Komponente vorhanden ROBO APPLICAION LAYER (RAL) RAL stellt die Schnittstelle zu den eigentlichen Anwendungen dar (API) und macht Anwendungen dadurch portabel. RAL Robot Application Layer 5.6. ORI Komponenten Eine Applikation benötigt also (mindestens) eine Komponente aus jeder Schicht auf der FORM. Hier ein Beispiel: Die Komponente EHERNE ist hier nicht notwendig, wenn man nur über die serielle Schnittstelle kommunizieren will.

20 Seite 9 6. Roboter Hardware 6.. Einleitung Dieses Kapitel widmet sich dem Roboter. Es erklärt den mechanischen eil, die Steuerungseinheit und die Schnittstelle für den Computer Mechanischer eil Der ABB IRB 2 ist ein 6 Achsen Roboter. Er wird hauptsächlich zum Schweißen, Kleben, Palettieren, Laser oder Wasserstrahl Schneiden und zum Zusammensetzen von Bauteilen verwendet. Die erste Achse ermöglicht eine Drehung des gesamten Roboters um die eigene, vertikale Achse. Die zweite Achse betätigt den unteren Arm, die dritte Achse den oberen Arm. Die vierte Achse ermöglicht ein Drehen des oberen Arms. Die fünfte Achse kippt das Handgelenk und die sechste Achse dreht das Handgelenk:

21 Seite Arbeitsbereich Die Achsen können nur innerhalb eines bestimmten Bereichs verfahren werden. Wird der Roboter außerhalb dieses sogenannten Arbeitsbereichs verfahren, stoppt die Steuerung die Bewegung. Am Ende der Achsenbewegung liegt zusätzlich ein mechanischer Anschlag. Die Maßzahlen verstehen sich in [mm] Koordinatensysteme Rechtwinkeliges sockelorientiertes Koordinatensystem Dieses Koordinatensystem wird auch als Kartesisches Koordinatensystem bezeichnet. Der Ursprung liegt im Robotersockel:

22 Seite 2 Das Bild zeigt die Synchronisationsposition des Roboters das ist die Ausgangsstellung.

23 Seite 22 Koordinatenangaben betreffen den sogenannten OOL CENER POIN (CP), das ist jener Punkt eines Werkzeugs, der für die Position des Werkzeugs entscheidend ist. Der CP muß für jedes Werkzeug in der Steuerung definiert werden Rechtwinkeliges handgelenkorientiertes Koordinatensystem Dieses Koordinatensystem bezieht sich auf das Handgelenk des Roboters Rechtwinkeliges werkzeugorientiertes Koordinatensystem Dieses Koordinatensystem entsteht nach der Definition eines Werkzeugursprunges (WZ.UR) zu einem CP aus dem handgelenkorienterten Koordinatensystem. Der zum Werkzeug gehörende CP ist der Ursprung des Koordinatensystems.

24 Seite Roboterachsenkoordinatensystem Zuletzt gibt es auch noch das Roboterachsen Koordinatensystem. Hier bildet jede Roboterachse eine Achse des Koordinatensystems:

25 Seite Steuerung Die Steuerung ist ein wesentlicher Bestandteil des Roboters. Erst durch sie wird das Bewegen des mechanischen eils ermöglicht. In der Steuerung können Programme ablaufen oder man bedient den Roboter händisch über die PROGRAMMING UNI. Die genaue Bezeichnung der verwendeten Steuerung lautet ABB ROBO CONROL SYSEM S3. In die Steuerung können verschiedene Einschübe installiert werden, z.b. ist ein Einschub für die RS232 Schnittstelle vorhanden. Die Steuerung verfügt auch über ein VISION SYSEM, mit dem über eine Kamera das Erkennen und Hantieren von Bauteilen auf optischer Basis ermöglicht wird.

26 Seite 25 Im Bild ist auch gut die PROGRAMMING UNI zu sehen, die im folgenden Kapitel erläutert wird PROGRAMMING UNI Die PROGRAMMING UNI ist der Bedienteil der Steuerung. Sie kann von der Steuerung abgenommen werden, da sie mit einem langen Kabel angeschlossen ist.

27 Seite 26 Mit dieser Konsole kann nicht nur der Roboter bewegt werden, sondern es können alle Funktionen des Roboters gesteuert werden. Man kann auch Programme über diese Einheit eingeben, diese auf Diskette abspeichern und ablaufen lassen. Natürlich ist diese Art der Programmierung sehr mühsam und mit einer Programmierung am Computer nicht vergleichbar Schnittstellen Die Steuerung S3 verfügt in der vorhandenen Ausführung über eine RS232C Schnittstelle, die auch als V24 bzw. V28 konfiguriert werden kann. Das Kabel einer RS232 Verbindung besteht aus 9 Leitungen und einer Schirmung: Abkürzung Erklärung Nr. bei 9 Leitungen (Nr. bei 25 Leitungen) CD Verbindung 8 RX Daten empfangen 2 3 X Daten senden 3 2 DR Fertigmeldung erminal 4 2 S.GND Signalerde 5 7 DSR Fertigmeldung Daten 6 6 RS Sendeaufforderung 7 4 CS Sendefreigabe 8 5 RI Signal 9 22 GND Erde Schirmung Wie diese Schnittstelle mit dem Computer verbunden werden muß, ist im folgenden Kapitel RS232 erläutert.

28 Seite Roboter Protokolle 7.. Einleitung Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem prinzipiellen Aufbau der Schichten und deren Schnittstellen. Erst im nächsten Kapitel wird die tatsächliche Implementierung beschrieben. Die Kommunikation zwischen Roboter und Computer ist in drei Schichten unterteilt. Die unterste Schicht ist die physikalische Schicht (PHYSICAL LAYER). Darüber liegt die Kommunikationsschicht (COMMUNICAION LAYER) und die oberste Schicht ist die funktionelle Schicht (FUNCION LAYER). Jede Schicht hat eine spezielle Aufgabe und eine genau definierte Schnittstelle nach oben und unten: Anwendung Roboter Funktionelle Schicht (3) Funktionelle Schicht (3) Kommunikationsschicht (2) Kommunikationsschicht (2) Physikalische Schicht () Physikalische Schicht () Übertragungsmedium Übertragungsmedium 7.2. RS232 RS232 ist ein Protokoll für die physikalische Schicht. Dieses Protokoll dient zur seriellen Übertragung von Bits zwischen zwei Kommunikationspartnern über ein Kabel Hardwareverbindung Das Kabel einer RS232 Verbindung besteht aus 9 Leitungen und einer Schirmung: Abkürzung Erklärung Nr. bei 9 Leitungen (Nr. bei 25 Leitungen) CD Verbindung 8 RX Daten empfangen 2 3 X Daten senden 3 2

29 Seite 28 DR Fertigmeldung erminal 4 2 S.GND Signalerde 5 7 DSR Fertigmeldung Daten 6 6 RS Sendeaufforderung 7 4 CS Sendefreigabe 8 5 RI Signal 9 22 GND Erde Schirmung Die einzelnen Leitungen müssen folgendermaßen verbunden werden: Roboter Roboter Kabel Computer CD DSR, DR RX X X RX DR CD, DSR S.GND S.GND DSR RS CS CD, DR CS RS Will man den Datentransfer auf der Verbindung beobachten, benötigt man ein YKabel. Die SNIFFER Seite wird mit der zu beobachtenden Leitung parallel angeschlossen, die beiden anderen Enden werden in die seriellen Ports eines Beobachtungsrechners geleitet. Als Beobachtungssoftware kann z.b. EASYCOM von BRIAN HORNE verwendet werden. Das Kabel ist folgendermaßen zu belegen:

30 Seite 29 Sniffer Kabeln COM COM2 CD RI RX RX X DR RX DSR S.GND S.GND S.GND DSR DSR RS CS CS RI CS RI Konfiguration Für die Kommunikation zwischen ABB Roboter und Computer, genauer zwischen RS232 Schnittstelle der Steuerung des Roboters und der RS232 Schnittstelle des Computers, werden folgende Einstellungen verwendet: 96 Bit/s Das ist die Übertragungsgeschwindigkeit. 8 Bit Daten Zu diesen 8 Bit Daten, das entspricht genau einem ASCII Zeichen, kommt ein Paritäts und ein Stop Bit hinzu: Gerade Parität Stop Bit Es wird keine Hardware oder Software Flußkontrolle verwendet: Keine Flußkontrolle

31 Seite ADLP Einleitung Das ABB DAA LINK PROOCOL (ADLP) ist ein serielles, asynchrones Kommunikationsprotokoll zwischen zwei Kommunikationspartnern. Es dient zur gesicherten Übertragung von Daten (Zeichen). Die sendende Station wird MASER genannt, die empfangende Station SLAVE. Sowohl der Computer wie auch die Steuerung des Roboters kann MASER sein. Die Kommunikation findet HALF DUPLEX statt, d.h., daß immer nur eine Station zu einem Zeitpunkt senden kann. Die Information, die übertragen werden soll, ist meist durch das darüberliegende Protokoll in sogenannte elegramme unterteilt. Damit wird in einem Kommunikationsvorgang die Information in mehreren elegrammen übertragen Steuerzeichen Im ADLP Protokoll werden folgende Steuerzeichen verwendet: ENQ ENQUIRY: Mit diesem Zeichen beginnt die sendende Station, d.h. der MASER, die Kommunikation. Die empfangende Station, d.h. der SLAVE, muß mit ACK reagieren, um die Kommunikation aufzubauen. ACK ACKNOWLEDGE: Dies ist das Zeichen für positive Bestätigung des SLAVES. WACK WAI AND ACKNOWLEDGE: Dieses Zeichen bestätigt ebenfalls positiv, aber signalisiert gleichzeitig, daß die empfangende Station keine weiteren Daten derzeit aufnehmen kann.

32 Seite 3 RVI REVERSE INERRUP: Auch dieses Zeichen bestätigt positiv. Gleichzeitig signalisiert dieses Zeichen aber auch dem MASER, daß der SLAVE selbst Daten zu senden hat und daher MASER werden möchte. NAK NEGAIV ACKNOWLEDGE: Der SLAVE signalisiert mit diesem Zeichen eine negative Bestätigung. Das ist z.b. keine Empfangsbereitschaft des SLAVES oder eine fehlerhafte Datenübertragung. DLE DAA LINK ESCAPE: Durch dieses Zeichen signalisiert der MASER dem SLAVE, daß das nächste Zeichen als Steuerzeichen und nicht als Daten zu interpretieren ist. SX (even/odd) SAR OF EX: Damit wird der Beginn des extes, d.h. der Daten signalisiert. SX gibt es in gerader und ungerader Ausführung, um sequentielles Markieren zu ermöglichen. EX END OF EX: Dies signalisiert das Ende des extes, eben das Ende der Daten. EO END OF RANSMISSION: Mit diesem Zeichen wird die Kommunikation abgeschlossen. Die Kodierung obiger Zeichen ist in der ASCII Code abelle im Anhang nachzulesen Kommunikationsphasen Die Kommunikation teilt sich in 3 Phasen:

33 Seite Kommunikationsaufbau In der ersten Phase wird die Kommunikation aufgebaut. Der MASER sendet zum SLAVE das Zeichen ENQ. Wenn der SLAVE empfangsbereit ist, sendet er ACK zurück. Damit ist die erste Phase ordnungsgemäß abgeschlossen. Die Antwort des SLAVE kann jedoch auch WACK oder RVI sein. Bei WACK kann der SLAVE derzeit nicht empfangen z.b. weil sein Empfangspuffer voll ist. Bei RVI wünscht der SLAVE selbst MASER zu werden, da er Daten senden möchte. Senden sowohl Computer wie auch Roboter gleichzeitig ENQ, so hat der Computer Vorrang vor dem Roboter Datentransfer Jedes elegramm, das der MASER übertragen soll, wird in die Zeichen DLE SX und DLE EX eingeschlossen. Ein in den Daten vorkommendes Zeichen DLE wird verdoppelt, um es von einem Steuerzeichen unterscheiden zu können. D.h., wird die Zeichenfolge XXX DLE YYY empfangen, wobei XXX und YYY nicht DLE ist, so ist das Zeichen DLE als DAA LINK ESCAPE zu interpretieren. Wird DLE DLE empfangen, so ist ein DLE zu entfernen und das Verbleibende als Daten zu interpretieren. Nach jedem übertragenen elegramm wird nach den Zeichen DLE EX auch noch eine Blockchecksumme gesendet. Der SLAVE muß darauf mit ACK für positive Bestätigung reagieren. Danach folgt das nächste elegramm oder der Kommunikationsabbau. Andere Antworten sind WACK, RVI oder NACK. Bei WACK wurde das zuletzt empfangene elegramm positiv bestätigt, aber die Bereitschaft zum Empfang aufgehoben. Der MASER kann eine gewisse Zeit warten und neuerlich versuchen dem SLAVE Daten zu schicken oder er beginnt mit dem Kommunikationsabbau. Bei RVI bekommt der MASER ebenfalls eine positive Bestätigung, wird aber gleichzeitig um Abgabe der MASER Funktion gebeten. Daher folgt meist der Kommunikationsabbau. NACK ist die negative Bestätigung, es wird das zuletzt gesendete elegramm wiederholt.

34 Seite Kommunikationsabbau Den Abbau der Kommunikation bestimmt der MASER durch das Steuerzeichen EO. Danach muß die Kommunikation neu aufgebaut werden Sicherungsmechanismen Die Kommunikation wird auf mehrere Arten gesichert: Horizontale Parität Jedes einzelne zu übertragende Zeichen wird durch ein Paritätsbit gesichert. Das Zeichen selbst besteht aus 8 Bit Daten. Daraus wird mittels gerader Parität das Paritätsbit mittels Modulo2 Summe errechnet. Dieser Sicherungsmechanismus ist bereits im Betriebsystem bzw. der RS232 Implementierung vorhanden und muß daher nur richtig konfiguriert werden: 8 Bit Daten Gerade Parität Stop Bit Vertikale Parität (Blockchecksumme) Die vertikale Parität oder Blockchecksumme (BCS) wird für jeden Block berechnet. Ein Block entspricht einem elegramm. Genau beginnt ein Block nach den Zeichen DLE SX exklusive und endet mit den Zeichen DLE EX inklusive. Das Zeichen DLE vor EX wird dabei nicht berücksichtigt. Ebenso ein in den Daten vorkommendes DLE DLE wird nur einmal berücksichtigt. Die Blockchecksumme wird durch vertikale, bitweise Modulo2 Summe der Zeichen errechnet und gleich anschließend an die Zeichen DLE EX eines elegramms gesendet.

35 Seite Sequentielles Markieren Durch sequentielles Markieren wird es dem SLAVE ermöglicht, ein Folge elegramm von einer Wiederholung zu unterscheiden. Das erste elegramm in einer Kommunikation erhält am Beginn das Zeichen SX (even), das nächste SX (odd) und danach abwechselnd. Die Even/Odd Markierung erfolgt über das MSB von SX: Befehl Binär Dezimal SX (even) 2 SX (odd) KommunikationsBeispiele Die folgenden abellen sind so zu interpretieren, daß z.b. ein in der Spalte MASER eingetragenes Zeichen ENQ als MASER sendet ENQ an den SLAVE zu lesen ist Kommunikation in einem elegramm Die zu übertragenden Daten können in einem elegramm übertragen werden: MASER SLAVE ENQ ACK DLE SX (even) Daten DLE EX BCS

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