工業機器人運動控制發展趨勢論文

工業機器人運動控制發展趨勢論文

　　摘要：作為工業機器人不可或缺的關鍵組成部分，控制系統對于機器人技術的發展在很大程度上起到了制約作用。本文首先概括與總結了機器人控制系統相關的研究成果，重點對控制系統的結構特點、開放性的軟件以及開放式的硬件實現方式較為詳細地進行了闡述。接著對于多機器人協同控制應用現狀進行總結，最后提出了其在該領域將來的發展趨勢。

　　【關鍵詞】機器人;控制系統;協同控制

　　在制造業發展過程當中，工業機器人扮演著非常重要的角色。在當前背景下，工業機器人對生成需求日益提升。一方面，工業機器人要求具備更加理想的柔性以及開放性，另一方面還要求其具備與工業生產不同設備之間的兼容性，使工業機器人能夠與不同生產設備形成一套綜合的控制系統。當前工業機器人技術最前沿的科研成果與物理學科息息相關。當前對于我國科研機構而言，工業機器人開放式控制系統的研究已經成為非常關鍵、非常重要的科研課題。不論是運動學，還是動力學都和工業機器人控制系統具有非常密切的關聯。工業機器人在低速平穩運行當中，工業機器人慣性力離心力都是非常微弱的，可以忽略不計。在這種情況下，摩擦力、重力是影響工業機器人穩定性以及動態性的主要因素。這就充分顯示出工業機器人控制系統和物理學具有非常緊密的關聯。所以本文從物理學角度對于工業機器人控制系統從以下幾個方面展開論述分析。

　　1工業機器人控制系統相關概述

　　1.1工業機器人控制系統

　　機器人是工業機器人控制系統的核心和靈魂所在。機器人主要由四大部分組成，第一部分為機器人本體，第二部分是控制系統，第三部分是驅動，最后一部分為傳感器。因此，從總體上來看，硬件部分以及軟件部分共同組成了工業機器人的控制系統。對工業機器人控制系統在指令傳感器的基礎上進行控制，進而使機器人完成相應動作或者任務。工業機器人控制系統主要由三部分組成，第一部分是主控單元，第二部分是執行機構，最后一部分是檢測單元。在以上三個部分當中，作為整個控制系統核心和關鍵的主控單元，對機器人進行運動學計算、進行運動規劃以及插補計算是其主要的功能。通過以上流程，主控單元將運動控制指令向執行機構進行傳輸，在很大程度上控制系統開放性制約著機器人的開放性。這是因為工業機器人所有動作指令的發出者均為控制系統。

　　1.2開放式控制系統

　　在研究領域，還沒有一個針對工業機器人控制系統開放性的權威公認的定義。對于開放性，IEEE曾經做出過這樣的定義表述，在不同平臺之間，系統在應用的時候能夠自由的進行移植，而且能夠與其它系統實現相互交互，為用戶提供的交互方式是一致的。對于開放性系統，庫卡機器人集團創始人也曾經進行過定義。開放性系統，計算機和操作系統運行環境是商業化的標準，同時計算機和操作系統硬件以及軟件接口具有開放性，而且計算機與操作系統的控制器也應當具備開放式的結構，呈現出標準化模塊化的特征。也就是說，用戶在使用過程當中，對機器人僅需通過簡單的指令就能夠進行操作。與此同時在工序發生變化的情況下，對于系統也能夠以最小的代價最短的時間進行修改，通過這種修改，能夠對新的需求予以滿足。在與機器人有關的相關研究課題當中，控制系統一直以來是一個非常熱門的研究課題。近年來，對于機器人的研究主要聚焦于其自身技術以及功能。隨著在工業生產過程當中，機器人應用廣泛性不斷增強，對于工業生產系統而言，機器人已經成為了一個非常重要的標準部件，將生產線上的各種設備的控制系統通過互聯網或者工業總線進行有效的連接。對于現在生產裝備而言，形成一個具有綜合性全面性的控制系統，成為了一種重要的發展趨勢。這對于整個控制系統信息數據的流通傳遞共享起到了顯著的加速作用。但是，現代工業生產過程當中，由不同廠家的設備組成生產設備，當前要將大部分設備綜合在一起，形成一個綜合全面的自動化，系統存在著比較大的困難。因此，在當前的工業生產過程當中，設備的開放性是一個備受關注的話題。除了受自身技術發展影響之外，工業機器人控制系統的開放性等其他影響因素的制約。整體上來看，主要有兩個因素會影響到其開放性。第一，開放的自動化設備。控制器在工業生產系統當中，會給用戶生產者諸多好處，包括可擴展、可聯網、可移植等等。此外，控制系統開放程度增強的可行性隨著當前計算機互聯網技術商品化水平的提升而不斷增強。迄今為止，針對何謂機器人控制系統的開放性還沒有形成一個明確的具有權威性統一性的定義。整體上來看，開放式主要體現在可擴展性、互操作性、可移植性可增減性三個方面。可擴展性指的就是第三方設備生產者能夠增加硬件設備和軟件設備，使得功能得到擴充。互操作性的就是控制器的核心部分，能夠與外界的一個計算機或者多個計算機進行信息的交換。可移植性則指的是在不同的環境下，機器人的應用軟件能夠相互之間進行移植。可增減性則指的是在實際需求的基礎上，機器人系統的性能以及功能能夠非常便捷化的進行增減。如果要實現上述特性、要求，計算機控制系統的硬件應當是標準化的體系結構應當具有開放性界面。

　　1.3控制系統的開放性概述

　　當前在國際上，開放式控制系統是重要的發展趨勢，特別是在發達國家在工業機器人開放式控制系統領域，展開了非常激烈的競爭。GNGC研究計劃之后，美國為了推出模塊化控制系統，又制定了OMAC開發計劃，希望通過該計劃的實行來提升本國的自動化裝備水平。歐盟對控制系統的開放性要求進一步增強，也在積極推行OSICA計劃。在該領域，日本也正在積極部署，日本的很多裝備制造業企業聯合推行OSEC計劃，該計劃推行的主要目的是使得控制系統結構的靈活性進一步增強。日本的科研機構在整個自動化領域之內，根據自身的研究成果，與美國歐洲等國家在該領域的相應科研機構進行廣泛的交流。在相應設計標準上達成一致。在應用方面，工業機器人涉及的領域是非常廣泛的。因此，要使相應的標準完全統一的困難是非常大的。然而，部分統一標準在特定應用領域是可行的，而且是非常有幫助的。例如，在半導體工業自動化制造設備領域，已經有了標準化交互界面，該交互界面由上層監控系統與機器生產者用戶，以及上層仿真軟件商品進行交互信息的共享。現階段，在市場當中，開放性水平已經成為了商品化工業機器人獲得市場競爭力的關鍵要素。工業機器人控制系統的開放性是必須的。得出這一結論，一方面，是出于機器人技術發展趨勢以及發展方向。另一方面，是出于工業機器人應用的工業領域自動化發展需求。但是，不論是從技術實現的可能性角度來看，還是從技術成本角度來看，追求嚴格意義上的開放性體系結構是沒有必要的。目前，在工業生產過程當中，機器人系統的數量是非常龐大的，而且技術進步速度也是令人瞠目結舌。要制定一個完全的絕對的開放標準，是根本沒有辦法實現的。現階段在工業機器人控制系統領域，探討和研究的重點是可行的控制系統開放式結構，使得控制系統的開放程度在現有計算機技術以及信息技術發展成果的基礎上，進一步提升。

　　2工業機器人開放式控制系統的實現方式

　　2.1硬件實現方式

　　從硬件結構的角度來看，開放式控制系統主要包括兩個部分，第一個部分是基于PC總線系統，第二個部分是基于VME總線系統。在很多方面pc具有突出的優勢，例如開放性較強，具有非常理想的軟件開發環境，具有較為良好的通訊功能，成本不高。所以對于機器人開放式控制系統而言，當前很多機器人廠商將主要研究和開發對象，其中與基于PC總線系統。因此，基于這一硬件結構的機器人開放式控制系統，主要包括應主要包括四種硬件實現方式。第一種硬件實現方式為PC+運動控制卡。第二種硬件實現方式為基于IPC+運動控制卡。第三種硬件實現方式為基于PLC的控制系統。最后一種硬件實現方法為基于通用PC+工業實時以太網。第一種硬件實現方式對于PC實時性要求不高，具備開放性這是其主要優勢。然而這種硬件實現方式也具有一定的缺陷，例如，對于運動控制卡的要求比較高，同時DSP也需要搭配。對于這種PC+運動控制卡的控制系統的研究比較早。對于機器人運動控制，我國研究學者也進行了大量的研究，他們所設計出來的機器人運動控制器對其運動控制的可靠性進行了大幅度提升。機器人動態運動通過國外研究者的不斷研究開發得以實現。國外研究學者開發的自由度機器人控制系統平臺同時可以實現與環境的快速交互功能。第二種硬件實現方式影響簡單，整體結構也比較緊湊，這是其顯著優勢。除此之外，開放性和兼容性也更加理想。這種模式與上一種模式的區別在于，機器人在PC機上進行運動學求解軌跡規劃以及插補算法。這種模式對于控制卡的數據處理壓力能夠起到非常顯著的緩解作用。與此同時，機器人工控機與運動控制卡在該模式下分工明確，對于基于IPC+運動控制卡的控制系統，我國很多學者也進行了不同程度的研究，如六軸工業機器點位、軌跡控制的實現等等。第三種硬件實現方式在硬件的連接方面特別簡單，聯網功能也非常強大。所以基于PLC的控制系統可以對多機器人通過互聯網實現監控。對機器人，我國學者在ABPLC的基礎上，實現了運動控制。最后一種硬件實現方式的主要優勢在于控制效率高、可拓展性強。主要是因為網絡化發展是工業機器人開放式控制系統將來的主要發展趨勢和發展方向。在該領域的研究方面，我國已經實現了機器人控制器的分布式網絡以及計算機的分布式網絡。與此同時，也實現了對于機器人分布式控制網絡的監控。

　　2.2軟件實現方法

　　現階段，在軟件功能的實現方面，大部分研究機構的基礎主要以硬件開放式架構為主，并在此基礎上，通過開放式純軟件控制技術藝來實現相應的軟件功能。通常情況下，在工控機Windows或者LINUX環境下，開放式軟件控制進行運算，全部的運動控制運算以及邏輯運算，通過軟件本身的內核來完成。數據的傳輸以及信號的傳輸由硬件負責。一部分學者開發出了通用軟件包，適用于機器人控制，該通用軟件包程序是開源的，通過互聯網能夠對程序進行下載。此外，一部分學者此外針對純開放式軟件控制技術，也有一部分學者進行了研究探討。在純開放式軟件控制技術的基礎上，我國研究學者開發了純軟件開放式控制系統，并基于該控制系統，實現了六種工業機器人的控制。

　　3基于開放式控制系統的多機器人協同

　　針對基于開放式軟件架構以及硬件架構的多機多機器人協同用之運動控制，現階段的研究成果相對是比較豐碩的。例如通過多層等級式的控制體系結構，天津大學的宋偉科實現了多機器人的系統與主控系統的實時任務調度。對于多機器人協同控制系統的離線編程系統，廖彥京平等學者進行了開發以及研究。國外主流機器人公司目前已經研究開發出開放式結構控制器，該控制器基于PC和實時以太網。Motoman通過大量的實驗，研制出雙機器人協調焊接。KUKA公司實現了機器人在車間的實踐應用，將多機器人協同控制技術成功地應用于奔馳車間，通過自己研發的IRC5控制器，ABB公司與Robotstudio機器人的編程與離線軌跡規劃軟件，通過雙機器人協調焊接，在開放式結構控制器方面，實現了三臺機器人的精準聯動。對于軟件接口以及硬件接口，正是由于開放式控制系統進行了標準化定義，因此在標準設計基礎之上，所設計出來的第三方軟件以及第三方硬件在向控制系統集成過程當中實現就比較簡單了。這對于廠商的依賴性起到了大幅度降低作用。所以，在自身生產需求的基礎上，企業能夠對設備相應的增減。現階段，在工業焊接、工業焊接、噴涂以及零部件的裝配等領域，多機器人均已得到廣泛的應用。

　　4工業機器人的控制系統總體方案

　　對于整個控制系統而言，機器人硬件系統能夠提供比較理想的物質基礎，硬件部分是軟件部分工作的平臺。對于工業機器人整個控制系統的性能以及擴展性而言，控制系統的硬件部分起到了決定性作用，本文在模塊化以及開放性原則要求的基礎上，設計如圖1所示的硬件部分。控制系統硬件結構通過上圖能夠看出，主要通過兩級計算機架構的形式來實現控制系統的主體，這種形式的主要優勢在于能夠完成相對較為復雜、精細的作業任務，對于相應的任務，能夠較為精細、快速、可靠地進行分解，能夠并行完成任務。在硬件架構的頂層，利用了具有成熟、可靠以豐富的接口的工控機作為上位機。在需要更換下位機的選擇合適的接口即可。除此之外，上位機的儲存容量以及運算速度也有要求，這是為了更好地處理機器人軌跡規劃、實現插補算法以及正逆求解機器人。同時，在具體需要的基礎上，工控機可以選擇主流操作系統，如Windows、Linux等，為了在軟件層面，提供機器人控制系統的擴展空間，可以安裝比較成熟的軟件工具，例如，可以配置可視化的軟件開發環境，例如Qt、MicroSoftVisualC++等。開發出承擔機器人控制軟件功能的人機交互界面。對于下位機而言，采用了由Galil公司推出的DMC-2163運動控制卡，運行獨立，能夠對六個電機同時進行控制，與上位機等設備通信過程中，通過RS232以及Ethernet等接口進行，運動速度快、可靠性高，為了在完成指令程序的過程中還能夠具備向控制卡中下載、燒錄等功能，Galil還在獨立于上位機運行的控制卡中封裝了指令解析器。

　　5工業機器人控制系統發展趨勢

　　從概念的提出迄今為止，很多國家以及機構對于機器人開放式控制系統進行了不同層面不同深度的研究，而且目前已經取得了非常豐碩的研究成果。為了執行全球自動化公司標準，日本1994年提出了OSEC計劃，美國在同一年為了實現用戶需求，制定相應的功能模塊，提出了OMIC計劃，也就是說控制系統應當具備標準化的接口層。OMC計劃選擇即插即用的模式，通過簡單的連接將特定功能模塊、控制系統進行連接，通過上述模式實現相應的功能。歐盟在1996年開發了整個標準系統平臺，并將這一平臺應用于工業生產當中，與此同時具備平臺通用性。機器人控制軟件隨著科學技術的不斷發展，在研究開發方面也取得了非常顯著的突破和進展。GPRO在2001年通過大量的實驗開發以及實驗設計，提出了自主機器人系統。卡內基梅隆大學在2003年為了促使控制算法實驗的實現，以及為了進一步簡化仿真開發出機器人控制軟件。2006年跨平臺開發得以實現，標志性事件是提出了開源軟件項目。2010年執行文件隨著開源機器人操作系統的開發實現了單獨設計，與此同時開源機器人操作系統在機器人運行過程當中得到了實現，不受機器人硬件約束是開源機器人操作系統的主要優勢所在，在不同的機器人之間均能夠適用。基于開放式控制系統的多機器人協同運動控制隨著科學技術的不斷發展，得到了非常顯著的進步。特別是國內相關研究領域，例如對于多個工業機器人，天津一些高校通過多層等級是控制體系結構，實現了其與主控系統任務之間的調度功能。除此之外，還有一些學者研究和開發了多機器人系統控制系統。從國外對于該領域的研究情況來看，已經推出了開放式結構控制器。該控制器建立在PC和實時以太網基礎之上。與此同時，還開發出了相應的多機器人協同控制系統，并將以上系統成功地應用于工業生產實踐過程當中。

　　6結論

　　綜上所述，作為工業機器人至關重要的組成部分控制系統，對于機器人技術的發展，在很大程度上起著決定性以及制約性作用。不論是國內還是國外研究領域當中，工業機器人控制系統已經成為一項非常重要的研究課題。本文對于有關工業機器人控制系統相關的研究成果進行了總結歸納以及梳理，希望能夠為相關的研究提供一點理論基礎。

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