工業機器人開放式控制系統研究論文

摘要：隨着科技與經濟的迅速發展，工業機器人在現代製造業中扮演的角色也越來越重要，其對機器人運動控制系統提出了更高的要求。作為工業機器人的重要組成部分，控制系統也在一定程度上制約了機器人技術的發展。本文從機器人開放式控制系統概述出發，介紹了幾種主流開放式控制系統的實現方法，並對控制系統的未來發展寄予展望。

關鍵詞：工業機器人；開放式控制系統；實現方法；發展展望

伴隨德國工業4.0與戰略中國2025計劃的提出，傳統制造業也面臨改革和升級，以機器為主導的自動化設備越來越受歡迎。製造業要求機器人更強的柔性與開發性，能夠與工業生產中不同的設備通過總線或者以太網連接到同一網絡平台，以形成一套綜合控制系統。但是就目前的狀況來看，不同廠家的機器人控制系統只遵循相關廠家的要求和標準，採用封閉的程式語言與控制器，用户在根據需求進行調整中遇到的困難是極大的，因此工業機器人開放式控制系統的研究成為了國內外科研機構研究的重點。

一、工業機器人控制系統

工業機器人控制系統以機器人為核心，機器人由機器人本體、控制系統、驅動以及傳感器組成。由此可知，硬件和軟件組成了工業機器人控制系統，它依據指令和傳感器對機器人進行控制，促使其完成規定動作或任務。工業機器人控制系統主要由主控單元、執行機構以及檢測單元組成。作為整個系統的核心，主控單元主要對機器人進行運動學的計算、運動規劃以及插補計算等，將用户的運動控制指令傳輸到執行機構。由於工業機器人的所有動作指令均來源於控制系統，因此控制系統在很大程度上限制了工業機器人的開發性。

二、開放式機器人控制系統

現階段來説，工業機器人控制系統的開發性還沒有較為嚴格的定義，從IEEE對“開放”的官方定義來看，開放系統應滿足系統的應用可以在不同的平台之間移植，與其他應用系統相互交互，為用户提供一致的交互方式[1]。對於開放式控制器來説，它應具有接口標準化、模塊化的開放式結構，使得用户只要具備簡單的機器人知識就可操作機器人，不必深入瞭解機器人的內部結構，以便在工序發生變化時用盡量少的時間和代價修改系統，以滿足新的應用。

三、開放式控制系統的實現方法

1.開放式控制系統的硬件實現方法開放式控制系統硬件結構主要包括基於PC總線系統和VME總線系統，由於PC開放性強、軟件環境開發優良、通訊功能良好及成本低廉，它成為了大部分機器人廠商機器人開放式控制系統的主要研究和開發對象。其硬件實現方法有以下四種：一是基於“PC+運動控制卡”，優勢表現在對PC實時性要求低，具備開發性等，但是對運動控制卡要求較高，同時還需搭配DSP；基於“IPC+運動控制卡”，優勢在於影響更為簡單，整體也更為緊湊，在具有開發性的基礎上還具有兼容性，與前者的區別在於更能緩解控制卡的數據處理壓力，此種模式下工控機與運動控制卡有明確的分工；基於PLC的控制系統，在硬件連接方面十分簡單，同時具有強大的聯網功能，以實現對多機器人的監控；最後基於“通用PC+工業實時以太網”的控制系統，控制效率高，且可拓展性極強。2.開放式控制系統的軟件實現方法就目前來説，在開放式控制系統的軟件實現方面，大部分機構均是以硬件開放式架構為基礎，利用開放式純軟件控制技術來實現的。純軟件控制技術多運行於工控機上Windows或Linux環境下，所有的運動控制運算與邏輯運算都由軟件本身的內核完成，硬件僅僅負責I/O信號的傳輸[2]。此時便可選擇高性能的伺候網絡來構建伺候通訊平台，方便的接入多個機器人，以實現對多機器人的控制。

四、開放式控制系統的發展與展望

隨着科技與經濟的迅速發展，工業機器人在現代製造業中扮演的`角色也越來越重要，即其對機器人運動控制系統提出了更高的要求。對於如何實現開放式控制系統的問題，來自倫敦大學的學者在採用分層結構的基礎上提出了開放式機器人控制器的結構。從開放式控制系統的概念提出至今，許多國家出資對此進行了研究與探索，其中最具影響力的三個為：歐盟的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithAutomationSystem），由歐洲的研究機構和控制器廠商共同提出且於1996年完成開發；日本的OSEC，由日本國內一些大型機械及機電製造商於1994年提出，意在為全球的自動化公司制定一種標準；美國於1994年提出的OMAC，區別於前兩個計劃的是OMAC的控制系統具有標準化的接口層，此時用户便於制定滿足自己需求的一系列特定功能模塊，“即插即用”，方便連接到簡單的控制系統。計算機快速發展的同時，具備平台通用性的機器人控制軟件也在快速發展，從2001年的自主機器人系統CLARAty一直到2010年採用分佈式處理構架的開源機器人操作系統ROS，可執行文件能夠單獨被設計，系統本身能夠自帶控制算法與指令。就目前來説，雖然還沒有嚴格意義上的完全開發的控制系統，但隨着科技的發展，未來工業機器人開放式控制系統在工業領域的前景是不可估量的。