工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(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越重要，其對機(jī)器人運(yùn)動控制系統(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)器人開放式控制系統(tǒng)概述出發(fā)，介紹了幾種主流開放式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并對控制系統(tǒng)的未來發(fā)展寄予展望。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；開放式控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)方法；發(fā)展展望
伴隨德國工業(yè)4.0與戰(zhàn)略中國2025計(jì)劃的提出，傳統(tǒng)制造業(yè)也面臨改革和升級，以機(jī)器為主導(dǎo)的自動化設(shè)備越來越受歡迎。制造業(yè)要求機(jī)器人更強(qiáng)的柔性與開發(fā)性，能夠與工業(yè)生產(chǎn)中不同的設(shè)備通過總線或者以太網(wǎng)連接到同一網(wǎng)絡(luò)平臺，以形成一套綜合控制系統(tǒng)。但是就目前的狀況來看，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)，采用封閉的編程語言與控制器，用戶在根據(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)器人開放式控制系統(tǒng)的研究成為了國內(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)指令和傳感器對機(jī)器人進(jìn)行控制，促使其完成規(guī)定動作或任務(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)以及檢測單元組成。作為整個系統(tǒng)的核心，主控單元主要對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的計(jì)算、運(yùn)動規(guī)劃以及插補(bǔ)計(jì)算等，將用戶的運(yùn)動控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)。由于工業(yè)機(jī)器人的所有動作指令均來源于控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)在很大程度上限制了工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)性。
二、開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)
現(xiàn)階段來說，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)性還沒有較為嚴(yán)格的定義，從IEEE對“開放”的官方定義來看，開放系統(tǒng)應(yīng)滿足系統(tǒng)的應(yīng)用可以在不同的平臺之間移植，與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互交互，為用戶提供一致的交互方式[1]。對于開放式控制器來說，它應(yīng)具有接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的開放式結(jié)構(gòu)，使得用戶只要具備簡單的機(jī)器人知識就可操作機(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)生變化時用盡量少的時間和代價修改系統(tǒng)，以滿足新的應(yīng)用。
三、開放式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法
1.開放式控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法開放式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括基于PC總線系統(tǒng)和VME總線系統(tǒng)，由于PC開放性強(qiáng)、軟件環(huán)境開發(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)器人開放式控制系統(tǒng)的主要研究和開發(fā)對象。其硬件實(shí)現(xiàn)方法有以下四種：一是基于“PC+運(yùn)動控制卡”，優(yōu)勢表現(xiàn)在對PC實(shí)時性要求低，具備開發(fā)性等，但是對運(yùn)動控制卡要求較高，同時還需搭配DSP；基于“IPC+運(yùn)動控制卡”，優(yōu)勢在于影響更為簡單，整體也更為緊湊，在具有開發(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單，同時具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，以實(shí)現(xiàn)對多機(jī)器人的監(jiān)控；最后基于“通用PC+工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)”的控制系統(tǒng)，控制效率高，且可拓展性極強(qiáng)。2.開放式控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法就目前來說，在開放式控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方面，大部分機(jī)構(gòu)均是以硬件開放式架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用開放式純軟件控制技術(shù)來實(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信號的傳輸[2]。此時便可選擇高性能的伺候網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建伺候通訊平臺，方便的接入多個機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對多機(jī)器人的控制。
四、開放式控制系統(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`角色也越來越重要，即其對機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。對于如何實(shí)現(xiàn)開放式控制系統(tǒng)的問題，來自倫敦大學(xué)的學(xué)者在采用分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了開放式機(jī)器人控制器的結(jié)構(gòu)。從開放式控制系統(tǒng)的概念提出至今，許多國家出資對此進(jìn)行了研究與探索，其中最具影響力的三個為：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年完成開發(fā)；日本的OSEC，由日本國內(nèi)一些大型機(jī)械及機(jī)電制造商于1994年提出，意在為全球的自動化公司制定一種標(biāo)準(zhǔn)；美國于1994年提出的OMAC，區(qū)別于前兩個計(jì)劃的是OMAC的控制系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口層，此時用戶便于制定滿足自己需求的一系列特定功能模塊，“即插即用”，方便連接到簡單的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的同時，具備平臺通用性的機(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。就目前來說，雖然還沒有嚴(yán)格意義上的完全開發(fā)的控制系統(tǒng)，但隨著科技的發(fā)展，未來工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的前景是不可估量的。
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