楊舸

摘要：工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，2016年工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中指出，雖然我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大差距，主要表現(xiàn)在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺失，零部件中高精度減速器、伺服電機(jī)和控制器等依賴進(jìn)口。目前，以國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用（NQI）重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，“智能制造基礎(chǔ)共性和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFF0202000）為核心的工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)正在如火如荼地制定過(guò)程中，而我國(guó)自2013年起已經(jīng)成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)，主要集中在二次集成開(kāi)發(fā)，要想促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人本體及其關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化，提升二次集成開(kāi)發(fā)的應(yīng)用價(jià)值，很重要的一個(gè)方向是能通過(guò)協(xié)議以及數(shù)據(jù)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)到各子系統(tǒng)或零部件之間的互聯(lián)互通、互換及柔性控制。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 集成開(kāi)發(fā) 協(xié)議 數(shù)據(jù)開(kāi)放 標(biāo)準(zhǔn)化 互聯(lián)互通 互換 柔性控制

Protocol and Data Opening Standardization in Integration and Development of Industrial robots

Yang Ge （Shenzhen Institute of Standards and Technology）

Abstract： Industrial robots are used in industrial production more and more extensive， “Industry Development Planning of Robots （2016—2020）” released by ministries and commissions such as the MIIT， etc. indicated that， although robots industry has made great progress in China， but there is still a big gap from developed countries， it is expressed in missing key industry chain， high precision reducer， servo motor and controller are relying on import. At present， according to the “research on basic commonness and key technical standards of intelligent manufacturing” NQI major project （project NO. 2016YFF0202000）， many industrial robots standardization will be released soon. Since 2013， it has become the largest industrial robot application market on secondary integration and development， to improving the status and nationalization of industrial robots and its key component， application value of secondary integration development， it is an important direction for achieving interconnection， interchangeability and flexible control between subsystems or components through protocol and data opening standardization.

Key words：? industrial robots， integration and development， protocol， data opening， standardization， interconnection， interchangeability， flexible control

1 工業(yè)機(jī)器人的定義及結(jié)構(gòu)組成

在現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12643—2013《機(jī)器人與機(jī)器人裝備 詞匯》中對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義是：“自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程、多用途的操作機(jī)，可對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上軸進(jìn)行編程。它可以是固定式或移動(dòng)式。在工業(yè)自動(dòng)化中使用”。此定義也與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8373中的定義保持一致。不同組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人也有自己的定義，例如美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義為：“工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手，或通過(guò)不同程序的調(diào)用來(lái)完成各種工作任務(wù)的特種裝置”。可見(jiàn)，從結(jié)構(gòu)操作或應(yīng)用等不同角度來(lái)定義其描述不盡相同。但通俗一點(diǎn)理解，工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景下的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，可編程，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，通常裝有刀具或其他輔助加工工具，能夠搬運(yùn)材料、工件，完成各種工序操作。

工業(yè)機(jī)器人的組成分硬件和軟件兩部分，按功能一般分為下列五個(gè)部分：機(jī)械本體、伺服驅(qū)動(dòng)單元、傳感系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)接口和控制系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)的作用見(jiàn)圖1所示。

2 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

當(dāng)前，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）數(shù)據(jù)顯示，2018年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模接近300億美元，2013～2018年平均增長(zhǎng)率約15.1%。工業(yè)機(jī)器人168.2億美元，服務(wù)機(jī)器人92.5億美元，特種機(jī)器人37.5億美元。2018年，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到87.4億美元，2013～2018年平均增長(zhǎng)率接近30%，工業(yè)機(jī)器人62.3億美元，是全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可細(xì)分為三個(gè)主要的子產(chǎn)業(yè)，包括關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)、工業(yè)機(jī)器人本體產(chǎn)業(yè)、系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)。

2.1 關(guān)鍵零部件

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為其核心零部件的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了眾多機(jī)會(huì)。工業(yè)機(jī)器人除本體以外，主要有三大核心零部件，包括控制器、伺服系統(tǒng)、減速器，它們占到工業(yè)機(jī)器人成本的70%左右。而隨著人工智能浪潮的愈演愈烈，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也成了工業(yè)機(jī)器人不可或缺的一部分。

控制器是機(jī)器人的大腦，發(fā)布和傳遞動(dòng)作指令。它包括硬件和軟件兩部分，硬件就是工業(yè)控制板卡，軟件部分主要是控制算法、二次開(kāi)發(fā)等。目前，國(guó)外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，各品牌機(jī)器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配，國(guó)內(nèi)企業(yè)控制器尚未形成市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人控制器封閉構(gòu)造，帶來(lái)開(kāi)放性差、軟件獨(dú)立性差、容錯(cuò)性差、擴(kuò)展性差、缺乏網(wǎng)絡(luò)功能等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)智能化和柔性化要求。開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化控制器是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向，存在巨大發(fā)展空間。

伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，是工業(yè)自動(dòng)化的重要組成部分，是自動(dòng)化行業(yè)中實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的必要途徑，在機(jī)床工具、紡織機(jī)械和包裝機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)伺服系統(tǒng)。關(guān)節(jié)越多，機(jī)器人的柔性和精準(zhǔn)度越高，所需要使用的伺服電機(jī)數(shù)量就越多。工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)必然帶動(dòng)伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模不斷上升。

減速器是工業(yè)機(jī)器人的神經(jīng)。減速器指的是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，通常它把電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過(guò)輸入軸上的小齒輪帶動(dòng)輸出軸上的大齒輪來(lái)達(dá)到減速的目的，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。大量應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上的減速器主要有RV減速器和諧波減速器。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人用減速器市場(chǎng)的需求規(guī)模也隨之增長(zhǎng)。

雖然減速器、伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人成本中所占比重較大，但國(guó)內(nèi)減速器、伺服系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件發(fā)展相對(duì)滯后，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，與國(guó)外產(chǎn)品相比存在不少差距，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人減速器、伺服系統(tǒng)等零部件主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)企業(yè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)成本較高，競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

2.2 工業(yè)機(jī)器人本體

工業(yè)機(jī)器人的本體是指其機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，也是工業(yè)機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括傳動(dòng)部件、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)、臂部、腕部和手部五個(gè)部分。本體是工業(yè)機(jī)器人的重要部分，所有的計(jì)算、分析和編程最終要通過(guò)本體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作完成特定的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人本體是系統(tǒng)集成及應(yīng)用的中心，其性能決定了系統(tǒng)集成及應(yīng)用技術(shù)的水平。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，工業(yè)機(jī)器人本體是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。盡管在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠商規(guī)模不斷擴(kuò)大，但其核心零部件的缺失導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本高企，企業(yè)的盈利能力不容樂(lè)觀。此外，為應(yīng)對(duì)新崛起的國(guó)產(chǎn)品牌，外資廠商紛紛采取降價(jià)的手段削弱國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這些因素使得工業(yè)機(jī)器人本體產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如系統(tǒng)集成。

2.3 系統(tǒng)集成

工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)集成包括計(jì)算機(jī)軟件、硬件、操作系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的集成，以及不同廠家產(chǎn)品選型、搭配的集成。系統(tǒng)集成所要達(dá)到的目標(biāo)是整體性能最優(yōu)，即所有部件集成后相互協(xié)作，形成一個(gè)性能勻稱、可擴(kuò)充、可維護(hù)的全系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成及應(yīng)用技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人商業(yè)化和大規(guī)模普及的關(guān)鍵。

2.3.1 工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向

工業(yè)機(jī)器人本體是系統(tǒng)集成的中心，必須與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。系統(tǒng)集成是對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體的二次開(kāi)發(fā)，本體的性能決定了系統(tǒng)集成的水平。國(guó)際品牌更清楚怎樣去做整合來(lái)充分發(fā)揮功能達(dá)到客戶的需求，所以系統(tǒng)集成還是以國(guó)際品牌為核心，市場(chǎng)大小也是按汽車(chē)、3C電子、金屬加工、物流等技術(shù)要求高、自動(dòng)化程度高的行業(yè)向技術(shù)要求較低、自動(dòng)化程度較低的行業(yè)排列。

工業(yè)機(jī)器人下游最終用戶可以按行業(yè)分為汽車(chē)工業(yè)行業(yè)和一般工業(yè)行業(yè)。汽車(chē)行業(yè)自動(dòng)化程度已經(jīng)比較高。大部分外資整車(chē)廠商的生產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)及工業(yè)機(jī)器人選型是全球統(tǒng)一的，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人難有機(jī)會(huì)。而在目前國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)尚未完全成熟的情況下，國(guó)產(chǎn)整車(chē)廠也不敢貿(mào)然使用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人完成重要工位的自動(dòng)化操作。汽車(chē)是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，整車(chē)廠在長(zhǎng)期使用工業(yè)機(jī)器人的過(guò)程中也形成了自己的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)要求高且要契合車(chē)廠特有的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō)，構(gòu)成了較高的準(zhǔn)入門(mén)檻。多數(shù)國(guó)內(nèi)集成商主要還是做一些分包或者不太重要的項(xiàng)目，少數(shù)已經(jīng)入圍的系統(tǒng)集成商獲得了先發(fā)優(yōu)勢(shì)。一般工業(yè)中按行業(yè)分類(lèi)又可以分為食品飲料、石化、金屬加工、醫(yī)藥、3C、塑料、白家電、煙草等，按應(yīng)用分為焊接、機(jī)床上下料、物料搬運(yùn)碼垛、打磨、噴涂、裝配等，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用除了重復(fù)精度高、工作效率高等特點(diǎn)外，還能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)，具有較大的社會(huì)效益。

2.3.2 工業(yè)機(jī)器人集成產(chǎn)業(yè)規(guī)模

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，我國(guó)企業(yè)目前主要的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在系統(tǒng)集成方面，80%的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)都集中在該領(lǐng)域。隨著系統(tǒng)集成商圍繞工業(yè)機(jī)器人做整線集成，相關(guān)的專(zhuān)用設(shè)備和電氣原件等的價(jià)格逐年下調(diào)，國(guó)內(nèi)企業(yè)憑著性價(jià)比和服務(wù)優(yōu)勢(shì)逐漸替代進(jìn)口，市場(chǎng)份額穩(wěn)步上升，現(xiàn)已占據(jù)了半壁江山。工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)集成是我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展方向，為推動(dòng)制造業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，國(guó)家高度重視工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從研發(fā)、采購(gòu)、應(yīng)用推廣等多方面提供政策資金支持;集成系統(tǒng)的研發(fā)，是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上利潤(rùn)最高也是技術(shù)門(mén)檻最高的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，系統(tǒng)集成應(yīng)用也逐年升溫，備受追捧。集成系統(tǒng)以零配件和工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，是未來(lái)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要方式之一。一般情況下，系統(tǒng)集成市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)機(jī)器人本體市場(chǎng)規(guī)模的三倍。根據(jù)中投顧問(wèn)產(chǎn)業(yè)研究中心預(yù)測(cè)，2020年工業(yè)機(jī)器人本體市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)276億元人民幣左右，集成系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模則有望接近830億元人民幣，未來(lái)五年年均增速可達(dá)20%。

綜上，“伺服系統(tǒng)”“控制器”“核心算法”“精密減速器”以及“應(yīng)用和集成技術(shù)”這五大核心技術(shù)被譽(yù)為工業(yè)機(jī)器人本體的“成功五要素”。國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人本體產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，在這五大領(lǐng)域中至少要在兩到三個(gè)方面積累競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。首先需在伺服系統(tǒng)和控制器兩方面穩(wěn)固根基，其次在核心算法方面要有所突破。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人本體企業(yè)突破關(guān)鍵零部件有兩種思路：一是走關(guān)鍵零部件自主研發(fā)路線;二是走深度合作路線，打通工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上下游。工業(yè)機(jī)器人本體是自動(dòng)化技術(shù)集大成者，在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上議價(jià)能力最強(qiáng)，可以有效整合上游零部件企業(yè)和下游系統(tǒng)集成商。

3 工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)集成系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

3.1 概述

在我國(guó)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也面臨著諸多技術(shù)問(wèn)題。以工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元集成為例，作為工業(yè)機(jī)器人的“大腦中樞神經(jīng)”，人工智能在過(guò)去的幾年里一直處于持續(xù)的高速發(fā)展階段，很多工業(yè)機(jī)器人也已經(jīng)具備了相當(dāng)高的智能化特點(diǎn)，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人類(lèi)所設(shè)想的智能化程度。工業(yè)自動(dòng)化的真正實(shí)現(xiàn)，需要高度智能化的工業(yè)機(jī)器人去替代人類(lèi)的一部分工作，而想讓工業(yè)機(jī)器人能很好地替代人類(lèi)工作的話，首先要做的就是讓它們能“看”得到，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人具備觀察事情的能力時(shí)，才能夠很好地對(duì)事情判斷，從而做到智能化、靈活、自主地解決問(wèn)題，而且在工業(yè)4.0的趨勢(shì)下，智能制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的通過(guò)編程來(lái)執(zhí)行某一特定動(dòng)作的工業(yè)機(jī)器人，將不再能滿足制造業(yè)向前發(fā)展的需求。

要工業(yè)機(jī)器人能“看”到，需要給工業(yè)機(jī)器人裝上一雙“慧眼”，以目前的主流技術(shù)來(lái)說(shuō)，就是將工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元進(jìn)行集成，形成工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)集成系統(tǒng)，常應(yīng)用于搬運(yùn)、加工、檢測(cè)及裝配幾大領(lǐng)域，各領(lǐng)域又分為多個(gè)工藝，在工業(yè)化大生產(chǎn)中的引導(dǎo)、定位、檢測(cè)、測(cè)量、識(shí)別等多場(chǎng)景下進(jìn)行應(yīng)用。視覺(jué)單元是工業(yè)機(jī)器人的眼睛。工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)需要高度智能化的工業(yè)機(jī)器人代替人類(lèi)的一部分工作;而顯然，如果想讓機(jī)器人很好地替代人類(lèi)工作，首先要確保它們能“看”得到，這就依賴于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)完成。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品即圖像攝取裝置，將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，然后圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。具體工藝要素及視覺(jué)功能如表1所示。

工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元的集成，除了各自滿足產(chǎn)品所需要達(dá)到的安全、質(zhì)量、可靠性等技術(shù)要求之外，還需要涉及多種技術(shù)的融合，例如裝配技術(shù)、坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)、通信協(xié)議適配技術(shù)等。工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)集成系統(tǒng)的應(yīng)用最基礎(chǔ)需要實(shí)現(xiàn)的，就是不同品牌或種類(lèi)的工業(yè)機(jī)器人與不同品牌或種類(lèi)的視覺(jué)單元能夠互聯(lián)互通，只有實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)聯(lián)通后，才有可能在不同應(yīng)用場(chǎng)景下完成各種定制功能的集成開(kāi)發(fā)。而實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元的互聯(lián)互通所需滿足的除了硬件物理接口的適配要求之外，通信協(xié)議的適配是不可或缺的重要手段之一。通信協(xié)議是指多方實(shí)體完成數(shù)據(jù)和信息交互或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。通過(guò)通信信道互連起來(lái)的多個(gè)產(chǎn)品或設(shè)備，要使其能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語(yǔ)言。交流什么、怎樣交流及何時(shí)交流，必須遵循某種互相能夠接受的規(guī)則。

開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型 （Open System Interconnect ，OSI）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）聯(lián)合制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型，根據(jù)GB/T 9387.1—1998《信息技術(shù) 開(kāi)放系統(tǒng)互連 基本參考模型 第1部分：基本模型》（等同采用ISO/IEC 7498-1：1994）中的定義，為開(kāi)放式互連信息系統(tǒng)提供了一種功能結(jié)構(gòu)的框架，從低到高分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，層級(jí)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。通常來(lái)說(shuō)，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層面向通信，而會(huì)話層、表示層及應(yīng)用層是面向信息處理。

要實(shí)現(xiàn)不同廠家工業(yè)機(jī)器人與不同廠家視覺(jué)單元的互聯(lián)互通需求，制定一套工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元廠家之間可以互相理解的“通用協(xié)議語(yǔ)言”至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)多家工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元廠家調(diào)研發(fā)現(xiàn)，底層的通信協(xié)議部分，例如數(shù)據(jù)鏈路層以及運(yùn)輸層，各家均會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的通用通信協(xié)議支持，工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元集成常用的通用通信協(xié)議、應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)、適用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次以及應(yīng)用方式如表2所示。

對(duì)于面向通信的通用協(xié)議，均已標(biāo)準(zhǔn)化，且應(yīng)用較成熟，除必要的再開(kāi)發(fā)外，集成開(kāi)發(fā)企業(yè)一般不會(huì)去更改現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，集成開(kāi)發(fā)主要針對(duì)面向信息處理的互聯(lián)層級(jí)進(jìn)行，而且越面向高層級(jí)進(jìn)行協(xié)議的定制開(kāi)發(fā)，不同產(chǎn)品及設(shè)備廠家之間能達(dá)成一致的意愿和程度越強(qiáng)，因?yàn)樾枰_(kāi)發(fā)的內(nèi)容少，流程相對(duì)簡(jiǎn)化。

3.2 系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)集成系統(tǒng)可以抽象成由主控單元、工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)單元集成為一個(gè)軟硬件平臺(tái)，主控單元進(jìn)行流程總控，工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，視覺(jué)單元負(fù)責(zé)視覺(jué)信息處理。主控單元根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況主要有如圖3所示兩種形式：

1）主控單元、工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)單元相對(duì)獨(dú)立，工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)單元分別與主控單元進(jìn)行交互，如圖3（a）所示;

2）工業(yè)機(jī)器人同時(shí)作為主控單元，與視覺(jué)單元進(jìn)行交互，如圖3（b）所示。

3.3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)集成系統(tǒng)協(xié)議僅對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行定義，對(duì)其他層級(jí)不做定義，通過(guò)對(duì)應(yīng)用層報(bào)文格式，包括幀結(jié)構(gòu)以及部件數(shù)據(jù)編碼的定義，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)單元的集成與互聯(lián)互通。

在幀結(jié)構(gòu)定義中，可以明確幀的字節(jié)長(zhǎng)度、傳輸順序，同時(shí)給出如表3所示的幀結(jié)構(gòu)應(yīng)用表，并在表中對(duì)字段名、字段長(zhǎng)度以及定義進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

在部件數(shù)據(jù)編碼定義中，可對(duì)表4所示的部件數(shù)據(jù)編碼所占的字節(jié)位、數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)構(gòu)成、數(shù)據(jù)類(lèi)型、單位、字節(jié)總長(zhǎng)度進(jìn)行定義以及必要的說(shuō)明。

對(duì)于視頻流的傳輸協(xié)議，可以根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，選擇支持不同的傳輸協(xié)議，例如網(wǎng)線傳輸可采用GigE Vision協(xié)議，USB傳輸可采用USB3 Vision協(xié)議。

4 工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)化

4.1 概述

以工業(yè)機(jī)器人柔性控制技術(shù)應(yīng)用為例，目前工業(yè)機(jī)器人多以“剛性”的角色出現(xiàn)在工業(yè)化制造現(xiàn)場(chǎng)，按照已編制好的程序，或視教方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。在智能制造、人工智能大背景的驅(qū)動(dòng)下，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人將朝著智能化、柔性化的方向發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人柔性化之后，將具有更好的環(huán)境適應(yīng)性、安全性、人機(jī)交互能力。柔性化的發(fā)展方向一種是制造材料的柔性化，例如外殼，一種是通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)等零部件的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于材料的柔性化，只能是部分結(jié)構(gòu)材料在滿足安全性的前提下選用柔性材料替代現(xiàn)在的金屬或其他材料，而對(duì)于工業(yè)機(jī)器人內(nèi)的控制器、伺服裝置、減速機(jī)、其他輔助材料等比較難完全用柔性材料替代，這時(shí)候更多的是需要通過(guò)柔性控制技術(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)工業(yè)機(jī)器人的柔性化實(shí)現(xiàn)，例如工業(yè)機(jī)器人和視覺(jué)的集成應(yīng)用，增強(qiáng)機(jī)器人的“感知”能力，還可以通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)總線反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部傳感器采集的傳感數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行點(diǎn)位控制或者連續(xù)路徑控制的方式。

4.2 柔性控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)主要體現(xiàn)為，按照預(yù)先示教的點(diǎn)位和預(yù)先編好的程序?qū)崿F(xiàn)指定路徑的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。而柔性控制技術(shù)是指工業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的同時(shí)，通過(guò)感應(yīng)外部環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡以達(dá)到完成特定任務(wù)的控制方式，例如，拖動(dòng)示教、交互示教、遙操作示教、碰撞檢測(cè)、視覺(jué)引導(dǎo)等應(yīng)用場(chǎng)景。

如圖4所示，為柔性控制技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)框架圖，主要通過(guò)柔性控制模塊來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)是指驅(qū)動(dòng)總線反饋的電機(jī)位置、電機(jī)速度、電機(jī)力矩等數(shù)據(jù)，傳感數(shù)據(jù)是指通過(guò)外部傳感器采集的部分環(huán)境數(shù)據(jù)，比如力矩、圖像、電壓、電流等。

柔性控制模塊的核心是實(shí)現(xiàn)柔性控制算法，例如信號(hào)處理算法、工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)算法、圖像檢測(cè)與識(shí)別算法等。這些算法都需要一定的數(shù)據(jù)支撐，即前述的工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境傳感數(shù)據(jù);同時(shí)也需要添加一些其他的輔助功能，比如DI/DO、文件讀寫(xiě)、停止報(bào)錯(cuò)等。如圖5所示為工業(yè)機(jī)器人柔性控制模塊的基本實(shí)現(xiàn)方法，所需數(shù)據(jù)和輔助功能通過(guò)相應(yīng)的接口與柔性控制算法進(jìn)行交互，運(yùn)動(dòng)指令的下發(fā)既可以直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)，也可以進(jìn)行軌跡插補(bǔ)后給出具體的指令數(shù)據(jù)。

4.3 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的柔性控制，軟件系統(tǒng)不僅要具有獨(dú)立運(yùn)行的控制軟件系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)，而且要開(kāi)放相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口以供柔性控制模塊的二次開(kāi)發(fā)調(diào)用，其中控制軟件系統(tǒng)需要開(kāi)放的函數(shù)接口如表5所示。

伺服驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)應(yīng)具備可擴(kuò)展性，以便于用戶進(jìn)行柔性擴(kuò)展相關(guān)的開(kāi)發(fā)。因此，伺服驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)應(yīng)開(kāi)放如表6所示的數(shù)據(jù)傳輸接口，考慮到工業(yè)機(jī)器人的安全性，需要對(duì)操作權(quán)限（可讀/可寫(xiě)）以及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行定義。

5 協(xié)議及數(shù)據(jù)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)化助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展

目前，開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人二次集成開(kāi)發(fā)應(yīng)用的企業(yè)所面臨的問(wèn)題就是所需集成的部件由不同廠家提供，在集成過(guò)程中，需要根據(jù)不同部件產(chǎn)品的軟件進(jìn)行復(fù)雜的二次開(kāi)發(fā)，才能與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通信互聯(lián)，同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中，如果需要更換部件產(chǎn)品，則又需要重新進(jìn)行開(kāi)發(fā)，無(wú)形中增加了人力、時(shí)間成本，降低了集成應(yīng)用效率。如果能在應(yīng)用層等互聯(lián)層建立標(biāo)準(zhǔn)化的通用通信協(xié)議，則在滿足硬件機(jī)械接口的前提下，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行集成部件的互換及通信互聯(lián)，降低應(yīng)用過(guò)程中的人力及時(shí)間成本，大幅提高集成應(yīng)用的效率及效益。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的本體市場(chǎng)一直由多個(gè)國(guó)外品牌所主導(dǎo)，企業(yè)在做二次集成開(kāi)發(fā)時(shí)無(wú)法獲得所需要的工業(yè)機(jī)器人本體數(shù)據(jù)參數(shù)、接口函數(shù)等信息，導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)控制精度、安全特性、功能實(shí)現(xiàn)等方面的應(yīng)用、擴(kuò)展、維護(hù)時(shí)間和成本代價(jià)高昂，而我國(guó)的二次集成開(kāi)發(fā)市場(chǎng)巨大，在這種情況下，如果能夠通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人柔性控制所需采集數(shù)據(jù)信息的確定，建立數(shù)據(jù)開(kāi)放、控制軟件系統(tǒng)接口函數(shù)開(kāi)放、伺服驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)接口開(kāi)放的規(guī)則，符合規(guī)則要求的工業(yè)機(jī)器人才能在未來(lái)定義為符合“柔性控制技術(shù)”特性，從而在“柔性控制”特性應(yīng)用場(chǎng)景下更快更好地推動(dòng)集成開(kāi)發(fā)應(yīng)用，突破長(zhǎng)久以來(lái)國(guó)外工業(yè)機(jī)器人品牌對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的主導(dǎo)局面。

由此可見(jiàn)，未來(lái)如果能更多地通過(guò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)集成開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的互聯(lián)互通，更多地通過(guò)數(shù)據(jù)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化獲取工業(yè)機(jī)器人特性信息，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人和集成開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)才能夠逐步擺脫受限于人的狀況，搶占國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)以及全球工業(yè)機(jī)器人和集成開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的更高端。

參考文獻(xiàn)

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