工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分析與研究

牟海榮

摘要

作為工業(yè)機(jī)器人不可或缺的關(guān)鍵組成部分，控制系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展在很大程度上起到了制約作用。本文首先概括與總結(jié)了機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)的研究成果，重點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、開(kāi)放性的軟件以及開(kāi)放式的硬件實(shí)現(xiàn)方式較為詳細(xì)地進(jìn)行了闡述。接著對(duì)于多機(jī)器人協(xié)同控制應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，最后提出了其在該領(lǐng)域?qū)?lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人 控制系統(tǒng) 協(xié)同控制

在制造業(yè)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，工業(yè)機(jī)器人扮演著非常重要的角色。在當(dāng)前背景下，工業(yè)機(jī)器人對(duì)生成需求日益提升。一方面，工業(yè)機(jī)器人要求具備更加理想的柔性以及開(kāi)放性，另一方面還要求其具備與工業(yè)生產(chǎn)不同設(shè)備之間的兼容性，使工業(yè)機(jī)器人能夠與不同生產(chǎn)設(shè)備形成一套綜合的控制系統(tǒng)。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)最前沿的科研成果與物理學(xué)科息息相關(guān)。當(dāng)前對(duì)于我國(guó)科研機(jī)構(gòu)而言，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為非常關(guān)鍵、非常重要的科研課題。

不論是運(yùn)動(dòng)學(xué)，還是動(dòng)力學(xué)都和工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)具有非常密切的關(guān)聯(lián)。工業(yè)機(jī)器人在低速平穩(wěn)運(yùn)行當(dāng)中，工業(yè)機(jī)器人慣性力離心力都是非常微弱的，可以忽略不計(jì)。在這種情況下，摩擦力、重力是影響工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)性的主要因素。這就充分顯示出工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和物理學(xué)具有非常緊密的關(guān)聯(lián)。所以本文從物理學(xué)角度對(duì)于工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)論述分析。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)概述

1.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心和靈魂所在。機(jī)器人主要由四大部分組成，第一部分為機(jī)器人本體，第二部分是控制系統(tǒng)，第三部分是驅(qū)動(dòng)，最后一部分為傳感器。因此，從總體上來(lái)看，硬件部分以及軟件部分共同組成了工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在指令傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，進(jìn)而使機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作或者任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由三部分組成，第一部分是主控單元，第二部分是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后一部分是檢測(cè)單元。

在以上三個(gè)部分當(dāng)中，作為整個(gè)控制系統(tǒng)核心和關(guān)鍵的主控單元，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及插補(bǔ)計(jì)算是其主要的功能。通過(guò)以上流程，主控單元將運(yùn)動(dòng)控制指令向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳輸，在很大程度上控制系統(tǒng)開(kāi)放性制約著機(jī)器人的開(kāi)放性。這是因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人所有動(dòng)作指令的發(fā)出者均為控制系統(tǒng)。

1.2 開(kāi)放式控制系統(tǒng)

在研究領(lǐng)域，還沒(méi)有一個(gè)針對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)放性的權(quán)威公認(rèn)的定義。對(duì)于開(kāi)放性，IEEE曾經(jīng)做出過(guò)這樣的定義表述，在不同平臺(tái)之間，系統(tǒng)在應(yīng)用的時(shí)候能夠自由的進(jìn)行移植，而且能夠與其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互交互，為用戶提供的交互方式是一致的。對(duì)于開(kāi)放性系統(tǒng)，庫(kù)卡機(jī)器人集團(tuán)創(chuàng)始人也曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)定義。開(kāi)放性系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境是商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)硬件以及軟件接口具有開(kāi)放性，而且計(jì)算機(jī)與操作系統(tǒng)的控制器也應(yīng)當(dāng)具備開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的特征。也就是說(shuō)，用戶在使用過(guò)程當(dāng)中，對(duì)機(jī)器人僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的指令就能夠進(jìn)行操作。與此同時(shí)在工序發(fā)生變化的情況下，對(duì)于系統(tǒng)也能夠以最小的代價(jià)最短的時(shí)間進(jìn)行修改，通過(guò)這種修改，能夠?qū)π碌男枨笥枰詽M足。

在與機(jī)器人有關(guān)的相關(guān)研究課題當(dāng)中，控制系統(tǒng)一直以來(lái)是一個(gè)非常熱門(mén)的研究課題。近年來(lái)，對(duì)于機(jī)器人的研究主要聚焦于其自身技術(shù)以及功能。隨著在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，機(jī)器人應(yīng)用廣泛性不斷增強(qiáng)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)而言，機(jī)器人已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)部件，將生產(chǎn)線上的各種設(shè)備的控制系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)總線進(jìn)行有效的連接。對(duì)于現(xiàn)在生產(chǎn)裝備而言，形成一個(gè)具有綜合性全面性的控制系統(tǒng)，成為了一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。這對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的流通傳遞共享起到了顯著的加速作用。但是，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，由不同廠家的設(shè)備組成生產(chǎn)設(shè)備，當(dāng)前要將大部分設(shè)備綜合在一起，形成一個(gè)綜合全面的自動(dòng)化，系統(tǒng)存在著比較大的困難。因此，在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，設(shè)備的開(kāi)放性是一個(gè)備受關(guān)注的話題。除了受自身技術(shù)發(fā)展影響之外，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)放性等其他影響因素的制約。整體上來(lái)看，主要有兩個(gè)因素會(huì)影響到其開(kāi)放性。第一，開(kāi)放的自動(dòng)化設(shè)備。控制器在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)中，會(huì)給用戶生產(chǎn)者諸多好處，包括可擴(kuò)展、可聯(lián)網(wǎng)、可移植等等。此外，控制系統(tǒng)開(kāi)放程度增強(qiáng)的可行性隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)商品化水平的提升而不斷增強(qiáng)。

迄今為止，針對(duì)何謂機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)放性還沒(méi)有形成一個(gè)明確的具有權(quán)威性統(tǒng)一性的定義。整體上來(lái)看，開(kāi)放式主要體現(xiàn)在可擴(kuò)展性、互操作性、可移植性可增減性三個(gè)方面。可擴(kuò)展性指的就是第三方設(shè)備生產(chǎn)者能夠增加硬件設(shè)備和軟件設(shè)備，使得功能得到擴(kuò)充。互操作性的就是控制器的核心部分，能夠與外界的一個(gè)計(jì)算機(jī)或者多個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的交換。可移植性則指的是在不同的環(huán)境下，機(jī)器人的應(yīng)用軟件能夠相互之間進(jìn)行移植。可增減性則指的是在實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，機(jī)器人系統(tǒng)的性能以及功能能夠非常便捷化的進(jìn)行增減。如果要實(shí)現(xiàn)上述特性、要求，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)當(dāng)是標(biāo)準(zhǔn)化的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有開(kāi)放性界面。

1.3 控制系統(tǒng)的開(kāi)放性概述

當(dāng)前在國(guó)際上，開(kāi)放式控制系統(tǒng)是重要的發(fā)展趨勢(shì)，特別是在發(fā)達(dá)國(guó)家在工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域，展開(kāi)了非常激烈的競(jìng)爭(zhēng)。GNGC研究計(jì)劃之后，美國(guó)為了推出模塊化控制系統(tǒng)，又制定了OMAC開(kāi)發(fā)計(jì)劃，希望通過(guò)該計(jì)劃的實(shí)行來(lái)提升本國(guó)的自動(dòng)化裝備水平。歐盟對(duì)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性要求進(jìn)一步增強(qiáng)，也在積極推行OSICA計(jì)劃。在該領(lǐng)域，日本也正在積極部署，日本的很多裝備制造業(yè)企業(yè)聯(lián)合推行OSEC計(jì)劃，該計(jì)劃推行的主要目的是使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性進(jìn)一步增強(qiáng)。

日本的科研機(jī)構(gòu)在整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域之內(nèi)，根據(jù)自身的研究成果，與美國(guó)歐洲等國(guó)家在該領(lǐng)域的相應(yīng)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行廣泛的交流。在相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成一致。

在應(yīng)用方面，工業(yè)機(jī)器人涉及的領(lǐng)域是非常廣泛的。因此，要使相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)完全統(tǒng)一的困難是非常大的。然而，部分統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)在特定應(yīng)用領(lǐng)域是可行的，而且是非常有幫助的。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)自動(dòng)化制造設(shè)備領(lǐng)域，已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)化交互界面，該交互界面由上層監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)器生產(chǎn)者用戶，以及上層仿真軟件商品進(jìn)行交互信息的共享。現(xiàn)階段，在市場(chǎng)當(dāng)中，開(kāi)放性水平已經(jīng)成為了商品化工業(yè)機(jī)器人獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素。