工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)研究論文
摘要：隨著科技與經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的角色也越來(lái)越重要，其對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。作為工業(yè)機(jī)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。本文從機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)概述出發(fā)，介紹了幾種主流開(kāi)放式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展寄予展望。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；開(kāi)放式控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)方法；發(fā)展展望
伴隨德國(guó)工業(yè)4.0與戰(zhàn)略中國(guó)2025計(jì)劃的提出，傳統(tǒng)制造業(yè)也面臨改革和升級(jí)，以機(jī)器為主導(dǎo)的自動(dòng)化設(shè)備越來(lái)越受歡迎。制造業(yè)要求機(jī)器人更強(qiáng)的柔性與開(kāi)發(fā)性，能夠與工業(yè)生產(chǎn)中不同的設(shè)備通過(guò)總線(xiàn)或者以太網(wǎng)連接到同一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以形成一套綜合控制系統(tǒng)。但是就目前的狀況來(lái)看，不同廠家的機(jī)器人控制系統(tǒng)只遵循相關(guān)廠家的要求和標(biāo)準(zhǔn)，采用封閉的編程語(yǔ)言與控制器，用戶(hù)在根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整中遇到的困難是極大的，因此工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)的研究成為了國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。
一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人為核心，機(jī)器人由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)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(jī)器人控制系統(tǒng)，它依據(jù)指令和傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，促使其完成規(guī)定動(dòng)作或任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由主控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及檢測(cè)單元組成。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主控單元主要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及插補(bǔ)計(jì)算等，將用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)。由于工業(yè)機(jī)器人的所有動(dòng)作指令均來(lái)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(jī)器人的開(kāi)發(fā)性。
二、開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)
現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性還沒(méi)有較為嚴(yán)格的定義，從IEEE對(duì)“開(kāi)放”的官方定義來(lái)看，開(kāi)放系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)的應(yīng)用可以在不同的平臺(tái)之間移植，與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互交互，為用戶(hù)提供一致的交互方式[1]。對(duì)于開(kāi)放式控制器來(lái)說(shuō)，它應(yīng)具有接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，使得用戶(hù)只要具備簡(jiǎn)單的機(jī)器人知識(shí)就可操作機(jī)器人，不必深入了解機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(tǒng)，以滿(mǎn)足新的應(yīng)用。
三、開(kāi)放式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法
1.開(kāi)放式控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法開(kāi)放式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括基于PC總線(xiàn)系統(tǒng)和VME總線(xiàn)系統(tǒng)，由于PC開(kāi)放性強(qiáng)、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(jī)器人廠商機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)的主要研究和開(kāi)發(fā)對(duì)象。其硬件實(shí)現(xiàn)方法有以下四種：一是基于“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在對(duì)PC實(shí)時(shí)性要求低，具備開(kāi)發(fā)性等，但是對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡要求較高，同時(shí)還需搭配DSP；基于“IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡”，優(yōu)勢(shì)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(chǔ)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(jī)與運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單，同時(shí)具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)器人的監(jiān)控；最后基于“通用PC+工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)”的控制系統(tǒng)，控制效率高，且可拓展性極強(qiáng)。2.開(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法就目前來(lái)說(shuō)，在開(kāi)放式控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方面，大部分機(jī)構(gòu)均是以硬件開(kāi)放式架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用開(kāi)放式純軟件控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。純軟件控制技術(shù)多運(yùn)行于工控機(jī)上Windows或Linux環(huán)境下，所有的運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算與邏輯運(yùn)算都由軟件本身的內(nèi)核完成，硬件僅僅負(fù)責(zé)I/O信號(hào)的傳輸[2]。此時(shí)便可選擇高性能的伺候網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建伺候通訊平臺(tái)，方便的接入多個(gè)機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)器人的控制。
四、開(kāi)放式控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望
隨著科技與經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的`角色也越來(lái)越重要，即其對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式控制系統(tǒng)的問(wèn)題，來(lái)自倫敦大學(xué)的學(xué)者在采用分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了開(kāi)放式機(jī)器人控制器的結(jié)構(gòu)。從開(kāi)放式控制系統(tǒng)的概念提出至今，許多國(guó)家出資對(duì)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(jī)構(gòu)和控制器廠商共同提出且于1996年完成開(kāi)發(fā)；日本的OSEC，由日本國(guó)內(nèi)一些大型機(jī)械及機(jī)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(biāo)準(zhǔn)；美國(guó)于1994年提出的OMAC，區(qū)別于前兩個(gè)計(jì)劃的是OMAC的控制系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)。計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的同時(shí)，具備平臺(tái)通用性的機(jī)器人控制軟件也在快速發(fā)展，從2001年的自主機(jī)器人系統(tǒng)CLARAty一直到2010年采用分布式處理構(gòu)架的開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，可執(zhí)行文件能夠單獨(dú)被設(shè)計(jì)，系統(tǒng)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(yán)格意義上的完全開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，但隨著科技的發(fā)展，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的前景是不可估量的。
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