工業(yè)機器人開(kāi)放式控制系統研究論文
摘要：隨著(zhù)科技與經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現代制造業(yè)中扮演的角色也越來(lái)越重要，其對機器人運動(dòng)控制系統提出了更高的要求。作為工業(yè)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(shù)的發(fā)展。本文從機器人開(kāi)放式控制系統概述出發(fā)，介紹了幾種主流開(kāi)放式控制系統的實(shí)現方法，并對控制系統的未來(lái)發(fā)展寄予展望。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；開(kāi)放式控制系統；實(shí)現方法；發(fā)展展望
伴隨德國工業(yè)4.0與戰略中國2025計劃的提出，傳統制造業(yè)也面臨改革和升級，以機器為主導的自動(dòng)化設備越來(lái)越受歡迎。制造業(yè)要求機器人更強的柔性與開(kāi)發(fā)性，能夠與工業(yè)生產(chǎn)中不同的設備通過(guò)總線(xiàn)或者以太網(wǎng)連接到同一網(wǎng)絡(luò )平臺，以形成一套綜合控制系統。但是就目前的狀況來(lái)看，不同廠(chǎng)家的機器人控制系統只遵循相關(guān)廠(chǎng)家的要求和標準，采用封閉的編程語(yǔ)言與控制器，用戶(hù)在根據需求進(jìn)行調整中遇到的困難是極大的，因此工業(yè)機器人開(kāi)放式控制系統的研究成為了國內外科研機構研究的重點(diǎn)。
一、工業(yè)機器人控制系統
工業(yè)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(dòng)以及傳感器組成。由此可知，硬件和軟件組成了工業(yè)機器人控制系統，它依據指令和傳感器對機器人進(jìn)行控制，促使其完成規定動(dòng)作或任務(wù)。工業(yè)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(gè)系統的核心，主控單元主要對機器人進(jìn)行運動(dòng)學(xué)的計算、運動(dòng)規劃以及插補計算等，將用戶(hù)的運動(dòng)控制指令傳輸到執行機構。由于工業(yè)機器人的所有動(dòng)作指令均來(lái)源于控制系統，因此控制系統在很大程度上限制了工業(yè)機器人的開(kāi)發(fā)性。
二、開(kāi)放式機器人控制系統
現階段來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人控制系統的開(kāi)發(fā)性還沒(méi)有較為嚴格的定義，從IEEE對“開(kāi)放”的官方定義來(lái)看，開(kāi)放系統應滿(mǎn)足系統的應用可以在不同的平臺之間移植，與其他應用系統相互交互，為用戶(hù)提供一致的交互方式[1]。對于開(kāi)放式控制器來(lái)說(shuō)，它應具有接口標準化、模塊化的開(kāi)放式結構，使得用戶(hù)只要具備簡(jiǎn)單的機器人知識就可操作機器人，不必深入了解機器人的內部結構，以便在工序發(fā)生變化時(shí)用盡量少的時(shí)間和代價(jià)修改系統，以滿(mǎn)足新的應用。
三、開(kāi)放式控制系統的實(shí)現方法
1.開(kāi)放式控制系統的硬件實(shí)現方法開(kāi)放式控制系統硬件結構主要包括基于PC總線(xiàn)系統和VME總線(xiàn)系統，由于PC開(kāi)放性強、軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)優(yōu)良、通訊功能良好及成本低廉，它成為了大部分機器人廠(chǎng)商機器人開(kāi)放式控制系統的主要研究和開(kāi)發(fā)對象。其硬件實(shí)現方法有以下四種：一是基于“PC+運動(dòng)控制卡”，優(yōu)勢表現在對PC實(shí)時(shí)性要求低，具備開(kāi)發(fā)性等，但是對運動(dòng)控制卡要求較高，同時(shí)還需搭配DSP；基于“IPC+運動(dòng)控制卡”，優(yōu)勢在于影響更為簡(jiǎn)單，整體也更為緊湊，在具有開(kāi)發(fā)性的基礎上還具有兼容性，與前者的區別在于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(dòng)控制卡有明確的分工；基于PLC的控制系統，在硬件連接方面十分簡(jiǎn)單，同時(shí)具有強大的聯(lián)網(wǎng)功能，以實(shí)現對多機器人的監控；最后基于“通用PC+工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)”的控制系統，控制效率高，且可拓展性極強。2.開(kāi)放式控制系統的軟件實(shí)現方法就目前來(lái)說(shuō)，在開(kāi)放式控制系統的軟件實(shí)現方面，大部分機構均是以硬件開(kāi)放式架構為基礎，利用開(kāi)放式純軟件控制技術(shù)來(lái)實(shí)現的。純軟件控制技術(shù)多運行于工控機上Windows或Linux環(huán)境下，所有的運動(dòng)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(shí)便可選擇高性能的伺候網(wǎng)絡(luò )來(lái)構建伺候通訊平臺，方便的接入多個(gè)機器人，以實(shí)現對多機器人的控制。
四、開(kāi)放式控制系統的發(fā)展與展望
隨著(zhù)科技與經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現代制造業(yè)中扮演的`角色也越來(lái)越重要，即其對機器人運動(dòng)控制系統提出了更高的要求。對于如何實(shí)現開(kāi)放式控制系統的問(wèn)題，來(lái)自倫敦大學(xué)的學(xué)者在采用分層結構的基礎上提出了開(kāi)放式機器人控制器的結構。從開(kāi)放式控制系統的概念提出至今，許多國家出資對此進(jìn)行了研究與探索，其中最具影響力的三個(gè)為：歐盟的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithAutomationSystem），由歐洲的研究機構和控制器廠(chǎng)商共同提出且于1996年完成開(kāi)發(fā)；日本的OSEC，由日本國內一些大型機械及機電制造商于1994年提出，意在為全球的自動(dòng)化公司制定一種標準；美國于1994年提出的OMAC，區別于前兩個(gè)計劃的是OMAC的控制系統具有標準化的接口層，此時(shí)用戶(hù)便于制定滿(mǎn)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(jiǎn)單的控制系統。計算機快速發(fā)展的同時(shí)，具備平臺通用性的機器人控制軟件也在快速發(fā)展，從2001年的自主機器人系統CLARAty一直到2010年采用分布式處理構架的開(kāi)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(lái)說(shuō)，雖然還沒(méi)有嚴格意義上的完全開(kāi)發(fā)的控制系統，但隨著(zhù)科技的發(fā)展，未來(lái)工業(yè)機器人開(kāi)放式控制系統在工業(yè)領(lǐng)域的前景是不可估量的。
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