關(guān)林林

摘 要：工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)化體系高度發(fā)展的產(chǎn)物，是制造業(yè)由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型升級的重要標(biāo)志和動(dòng)力，如今，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)由程序化逐步向智能化轉(zhuǎn)變，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究已成為業(yè)內(nèi)高度關(guān)注的課題。本文闡述了工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)架及基本功能，針對圖形編程展開了詳細(xì)的研究和分析，并給出智能化機(jī)器人仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與發(fā)展展望，旨在為工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)體系發(fā)展提供技術(shù)參考，推動(dòng)人機(jī)協(xié)調(diào)與智能體系的發(fā)展和進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；開放體系；結(jié)構(gòu)研究

自工業(yè)革命以來，人類社會(huì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了指數(shù)級的增長，隨著工業(yè)化程度不斷加深，傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)不再作為制造業(yè)的主體和象征，制造業(yè)作為人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的命脈，正逐漸向技術(shù)和資本密集型升級和轉(zhuǎn)移，其中工業(yè)機(jī)器人作為程序化生產(chǎn)的主力，在汽車制造、建筑工程、化工行業(yè)、食品加工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人也由程序化人工控制向信息化、智能化發(fā)展，為保持技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)效益，做好工業(yè)機(jī)器人的智能化控制研究至關(guān)重要。

一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)原理

工業(yè)機(jī)器人不僅由機(jī)械主體構(gòu)成，還包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器等一系列配套設(shè)備，事實(shí)上，機(jī)器人的控制系統(tǒng)是其整體科技含量最高的部分，甚至比機(jī)械本體還要重要，操作人員通過輸入指令來控制機(jī)器人的動(dòng)作和執(zhí)行任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)由主控、執(zhí)行、檢測三個(gè)部分構(gòu)成，主控部分負(fù)責(zé)對機(jī)器人整體動(dòng)作結(jié)構(gòu)和指令規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，是控制系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)執(zhí)行的所有控制指令和大部分的計(jì)算都由該部分執(zhí)行，而控制系統(tǒng)的開放性在一定程度上也決定了工業(yè)機(jī)器人整體的開放性，是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)

業(yè)界對于機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放性還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在德國提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略標(biāo)準(zhǔn)之前，各國對工業(yè)機(jī)器人的指標(biāo)都有著獨(dú)立的研究體系，而IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）也只給出了對于“開放體系”的相關(guān)定義，即保障程序和系統(tǒng)的交互性和兼容性，因此工業(yè)機(jī)器人的開放體系不僅要在系統(tǒng)上便與開發(fā)，為了保障多平臺(tái)的可移植性，在硬件上也要達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合和無縫對接。

（一）PC+運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該模式是較早應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的管理模式，其中運(yùn)動(dòng)控制單元的主要功能是通過傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式求解和插補(bǔ)計(jì)算。在Linux系統(tǒng)中，PC端通過定式接口函數(shù)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)編程，早在上世紀(jì)90年代就有西方科學(xué)家通過調(diào)節(jié)后的運(yùn)動(dòng)控制器對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行末端控制，首次實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的智能對接，盡管該技術(shù)起源較早，但因?yàn)轶w系較為成熟，在制造業(yè)中還是得到了廣泛應(yīng)用，我國清華大學(xué)和哈工大的機(jī)器人研究院已經(jīng)能夠初步實(shí)現(xiàn)自由式機(jī)械臂的高度自由化運(yùn)動(dòng)控制，具備開放性高、軟件基礎(chǔ)好的優(yōu)勢，但由于控制卡的國際標(biāo)準(zhǔn)還存在爭議，成本也成為限制該技術(shù)發(fā)展的一大障礙，PC運(yùn)動(dòng)控制卡的開放性還具有一定的提升空間。

（二）IPC+運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。IPC+運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相對于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡具有分工明確的優(yōu)勢，升級空間較為突出，能夠適度分擔(dān)PC的數(shù)據(jù)處理壓力，可適用于Linux或微軟WINDOWS等多項(xiàng)主流操作系統(tǒng)中，依托于Microsoft Visual C++軟件開發(fā)環(huán)境，不僅具有二次開發(fā)的優(yōu)勢，還能夠降低編程難度，即便脫離了專業(yè)編程環(huán)境依然能夠進(jìn)行控制算法和機(jī)器人功能性的擴(kuò)展。在國際上KUKA、MINDUR等行業(yè)先驅(qū)都比較認(rèn)可IPC的發(fā)展優(yōu)勢，并開放了以太網(wǎng)接口，提升了產(chǎn)品的信息化程度，將21世紀(jì)后的運(yùn)動(dòng)控制和視頻采集的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)內(nèi)，是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。

（三）PC+以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人控制系統(tǒng)也由程序化向網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人的優(yōu)勢在于離線控制和集中調(diào)度，且相比傳統(tǒng)制式機(jī)器人具有更高的通訊速度和價(jià)位優(yōu)勢，將控制系統(tǒng)接入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是提升控制效率和運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展性的重要手段，日本的新松和東芝機(jī)器人研究部門在程序升級時(shí)將控制器預(yù)留了互聯(lián)網(wǎng)端口，為每個(gè)機(jī)器人注冊獨(dú)立的IP地址，在以太網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的監(jiān)控和集中管理。

三、基于開放式控制系統(tǒng)的多元化協(xié)同

開放式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是復(fù)雜的，為提升控制系統(tǒng)開放性與多元控制能力，多家機(jī)器人研究部門在開發(fā)時(shí)都會(huì)采用適用度較高的C/C++或PHP語言編寫，其目的在于保障軟件控制系統(tǒng)的可移植性，及離開專業(yè)開發(fā)環(huán)境后，用戶仍然可以根據(jù)自身需求進(jìn)行二次開發(fā)，也就是將控制系統(tǒng)的開發(fā)從后臺(tái)轉(zhuǎn)移至前臺(tái)，將研發(fā)程序進(jìn)行開源，并將系統(tǒng)應(yīng)用于同一線路的多個(gè)機(jī)器人。

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人開放體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下趨勢：（1）軟件平臺(tái)發(fā)展趨向模塊化，用戶可對程序進(jìn)行自主開發(fā)；（2）工業(yè)機(jī)器人將向智能化和實(shí)時(shí)化發(fā)展，控制系統(tǒng)更加開放；（3）工業(yè)機(jī)器人將接入互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)，并作為網(wǎng)絡(luò)的載體而存在；信息化和智能化作為未來科技發(fā)展的主要方向，是可能發(fā)生的第四次工業(yè)革命的重要突破點(diǎn)，作為世界最大制造業(yè)大國和第二大經(jīng)濟(jì)體，為保證在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競爭中占據(jù)優(yōu)勢，做好開放體系結(jié)構(gòu)研究是發(fā)展道路上的必由之路。望本文得到相關(guān)技術(shù)單位及研究人員的關(guān)注，積極推動(dòng)智能工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新，使其能在更多領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用，為制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級提供建設(shè)性意見。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳佳彬.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2016，18（7）：35-38.