工業機器人控制系統的開放體系結構研究

關林林

摘 要：工業機器人是工業化體系高度發展的產物，是制造業由勞動密集型向技術密集型升級的重要標志和動力，如今，工業機器人已經由程序化逐步向智能化轉變，其控制系統的結構研究已成為業內高度關注的課題。本文闡述了工業機器人控制系統的軟件構架及基本功能，針對圖形編程展開了詳細的研究和分析，并給出智能化機器人仿真系統的設計方案與發展展望，旨在為工業機器人結構體系發展提供技術參考，推動人機協調與智能體系的發展和進步。

關鍵詞：工業機器人；控制系統；開放體系；結構研究

自工業革命以來，人類社會的生產數據已經達到了指數級的增長，隨著工業化程度不斷加深，傳統勞動密集型產業不再作為制造業的主體和象征，制造業作為人類社會發展進步的命脈，正逐漸向技術和資本密集型升級和轉移，其中工業機器人作為程序化生產的主力，在汽車制造、建筑工程、化工行業、食品加工業等領域得到廣泛應用。隨著科技的進步與發展，工業機器人也由程序化人工控制向信息化、智能化發展，為保持技術先進性和經濟效益，做好工業機器人的智能化控制研究至關重要。

一、工業機器人控制系統原理

工業機器人不僅由機械主體構成，還包括控制系統、驅動系統、傳感器等一系列配套設備，事實上，機器人的控制系統是其整體科技含量最高的部分，甚至比機械本體還要重要，操作人員通過輸入指令來控制機器人的動作和執行任務。控制系統由主控、執行、檢測三個部分構成，主控部分負責對機器人整體動作結構和指令規劃進行設計和計算，是控制系統的核心部分，系統執行的所有控制指令和大部分的計算都由該部分執行，而控制系統的開放性在一定程度上也決定了工業機器人整體的開放性，是本文研究的重點內容。

二、工業機器人控制系統的開放體系結構

業界對于機器人控制系統的開放性還沒有形成統一的標準，在德國提出的“工業4.0”戰略標準之前，各國對工業機器人的指標都有著獨立的研究體系，而IEEE（電氣和電子工程師協會）也只給出了對于“開放體系”的相關定義，即保障程序和系統的交互性和兼容性，因此工業機器人的開放體系不僅要在系統上便與開發，為了保障多平臺的可移植性，在硬件上也要達到規范標準，實現軟硬結合和無縫對接。

（一）PC+運動控制系統。該模式是較早應用于工業機器人控制系統的管理模式，其中運動控制單元的主要功能是通過傳感器進行運動模式求解和插補計算。在Linux系統中，PC端通過定式接口函數進行工業機器人的結構編程，早在上世紀90年代就有西方科學家通過調節后的運動控制器對工業機器人進行末端控制，首次實現了計算機技術和工業機器人的智能對接，盡管該技術起源較早，但因為體系較為成熟，在制造業中還是得到了廣泛應用，我國清華大學和哈工大的機器人研究院已經能夠初步實現自由式機械臂的高度自由化運動控制，具備開放性高、軟件基礎好的優勢，但由于控制卡的國際標準還存在爭議，成本也成為限制該技術發展的一大障礙，PC運動控制卡的開放性還具有一定的提升空間。

（二）IPC+運動控制系統。IPC+運動控制系統相對于PC+運動控制卡具有分工明確的優勢，升級空間較為突出，能夠適度分擔PC的數據處理壓力，可適用于Linux或微軟WINDOWS等多項主流操作系統中，依托于Microsoft Visual C++軟件開發環境，不僅具有二次開發的優勢，還能夠降低編程難度，即便脫離了專業編程環境依然能夠進行控制算法和機器人功能性的擴展。在國際上KUKA、MINDUR等行業先驅都比較認可IPC的發展優勢，并開放了以太網接口，提升了產品的信息化程度，將21世紀后的運動控制和視頻采集的先進技術應用于該系統內，是當前工業機器人技術發展的主要方向。

（三）PC+以太網控制系統。隨著信息技術的進步，機器人控制系統也由程序化向網絡化和智能化方向發展，網絡化機器人的優勢在于離線控制和集中調度，且相比傳統制式機器人具有更高的通訊速度和價位優勢，將控制系統接入實時以太網是提升控制效率和運動擴展性的重要手段，日本的新松和東芝機器人研究部門在程序升級時將控制器預留了互聯網端口，為每個機器人注冊獨立的IP地址，在以太網內實現對機器人的監控和集中管理。

三、基于開放式控制系統的多元化協同

開放式控制系統的實現方法是復雜的，為提升控制系統開放性與多元控制能力，多家機器人研究部門在開發時都會采用適用度較高的C/C++或PHP語言編寫，其目的在于保障軟件控制系統的可移植性，及離開專業開發環境后，用戶仍然可以根據自身需求進行二次開發，也就是將控制系統的開發從后臺轉移至前臺，將研發程序進行開源，并將系統應用于同一線路的多個機器人。

綜上所述，工業機器人開放體系結構的發展將呈現出以下趨勢：（1）軟件平臺發展趨向模塊化，用戶可對程序進行自主開發；（2）工業機器人將向智能化和實時化發展，控制系統更加開放；（3）工業機器人將接入互聯網和以太網，并作為網絡的載體而存在；信息化和智能化作為未來科技發展的主要方向，是可能發生的第四次工業革命的重要突破點，作為世界最大制造業大國和第二大經濟體，為保證在經濟和技術競爭中占據優勢，做好開放體系結構研究是發展道路上的必由之路。望本文得到相關技術單位及研究人員的關注，積極推動智能工業機器人的技術創新，使其能在更多領域得到較好的應用，為制造業產業升級提供建設性意見。

參考文獻：

[1]陳佳彬.工業機器人控制系統的開放體系結構研究[J].機械工業標準化與質量，2016，18（7）：35-38.