工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)研究論文
摘要：隨著科技與經濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的角色也越來越重要，其對機器人運動控制系統(tǒng)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(tǒng)也在一定程度上制約了機器人技術的發(fā)展。本文從機器人開放式控制系統(tǒng)概述出發(fā)，介紹了幾種主流開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對控制系統(tǒng)的未來發(fā)展寄予展望。
關鍵詞：工業(yè)機器人；開放式控制系統(tǒng)；實現(xiàn)方法；發(fā)展展望
伴隨德國工業(yè)4.0與戰(zhàn)略中國2025計劃的提出，傳統(tǒng)制造業(yè)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。制造業(yè)要求機器人更強的柔性與開發(fā)性，能夠與工業(yè)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臺，以形成一套綜合控制系統(tǒng)。但是就目前的狀況來看，不同廠家的機器人控制系統(tǒng)只遵循相關廠家的要求和標準，采用封閉的編程語言與控制器，用戶在根據(jù)需求進行調整中遇到的困難是極大的，因此工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)的研究成為了國內外科研機構研究的重點。
一、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)
工業(yè)機器人控制系統(tǒng)以機器人為核心，機器人由機器人本體、控制系統(tǒng)、驅動以及傳感器組成。由此可知，硬件和軟件組成了工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，它依據(jù)指令和傳感器對機器人進行控制，促使其完成規(guī)定動作或任務。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要由主控單元、執(zhí)行機構以及檢測單元組成。作為整個系統(tǒng)的核心，主控單元主要對機器人進行運動學的計算、運動規(guī)劃以及插補計算等，將用戶的運動控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行機構。由于工業(yè)機器人的所有動作指令均來源于控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)在很大程度上限制了工業(yè)機器人的開發(fā)性。
二、開放式機器人控制系統(tǒng)
現(xiàn)階段來說，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)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(tǒng)應滿足系統(tǒng)的應用可以在不同的平臺之間移植，與其他應用系統(tǒng)相互交互，為用戶提供一致的交互方式[1]。對于開放式控制器來說，它應具有接口標準化、模塊化的開放式結構，使得用戶只要具備簡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)生變化時用盡量少的時間和代價修改系統(tǒng)，以滿足新的應用。
三、開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法
1.開放式控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法開放式控制系統(tǒng)硬件結構主要包括基于PC總線系統(tǒng)和VME總線系統(tǒng)，由于PC開放性強、軟件環(huán)境開發(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商機器人開放式控制系統(tǒng)的主要研究和開發(fā)對象。其硬件實現(xiàn)方法有以下四種：一是基于“PC+運動控制卡”，優(yōu)勢表現(xiàn)在對PC實時性要求低，具備開發(fā)性等，但是對運動控制卡要求較高，同時還需搭配DSP；基于“IPC+運動控制卡”，優(yōu)勢在于影響更為簡單，整體也更為緊湊，在具有開發(fā)性的基礎上還具有兼容性，與前者的區(qū)別在于更能緩解控制卡的數(shù)據(jù)處理壓力，此種模式下工控機與運動控制卡有明確的分工；基于PLC的控制系統(tǒng)，在硬件連接方面十分簡單，同時具有強大的聯(lián)網功能，以實現(xiàn)對多機器人的監(jiān)控；最后基于“通用PC+工業(yè)實時以太網”的控制系統(tǒng)，控制效率高，且可拓展性極強。2.開放式控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法就目前來說，在開放式控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)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(xiàn)的。純軟件控制技術多運行于工控機上Windows或Linux環(huán)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臺，方便的接入多個機器人，以實現(xiàn)對多機器人的控制。
四、開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望
隨著科技與經濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的`角色也越來越重要，即其對機器人運動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。對于如何實現(xiàn)開放式控制系統(tǒng)的問題，來自倫敦大學的學者在采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(tǒng)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于1996年完成開發(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，意在為全球的自動化公司制定一種標準；美國于1994年提出的OMAC，區(qū)別于前兩個計劃的是OMAC的控制系統(tǒng)具有標準化的接口層，此時用戶便于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(tǒng)。計算機快速發(fā)展的同時，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(tǒng)CLARAty一直到2010年采用分布式處理構架的開源機器人操作系統(tǒng)ROS，可執(zhí)行文件能夠單獨被設計，系統(tǒng)本身能夠自帶控制算法與指令。就目前來說，雖然還沒有嚴格意義上的完全開發(fā)的控制系統(tǒng)，但隨著科技的發(fā)展，未來工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)在工業(yè)領域的前景是不可估量的。
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