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工業(yè)機器人運動控制發(fā)展趨勢論文
摘要：作為工業(yè)機器人不可或缺的關(guān)鍵組成部分，控制系統(tǒng)對于機器人技術(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)了機器人控制系統(tǒng)相關(guān)的研究成果，重點對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、開放性的軟件以及開放式的硬件實現(xiàn)方式較為詳細地進行了闡述。接著對于多機器人協(xié)同控制應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)，最后提出了其在該領(lǐng)域?qū)淼陌l(fā)展趨勢。
【關(guān)鍵詞】機器人;控制系統(tǒng);協(xié)同控制
在制造業(yè)發(fā)展過程當中，工業(yè)機器人扮演著非常重要的角色。在當前背景下，工業(yè)機器人對生成需求日益提升。一方面，工業(yè)機器人要求具備更加理想的柔性以及開放性，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)。當前工業(yè)機器人技術(shù)最前沿的科研成果與物理學(xué)科息息相關(guān)。當前對于我國科研機構(gòu)而言，工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為非常關(guān)鍵、非常重要的科研課題。不論是運動學(xué)，還是動力學(xué)都和工業(yè)機器人控制系統(tǒng)具有非常密切的關(guān)聯(lián)。工業(yè)機器人在低速平穩(wěn)運行當中，工業(yè)機器人慣性力離心力都是非常微弱的，可以忽略不計。在這種情況下，摩擦力、重力是影響工業(yè)機器人穩(wěn)定性以及動態(tài)性的主要因素。這就充分顯示出工業(yè)機器人控制系統(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)角度對于工業(yè)機器人控制系統(tǒng)從以下幾個方面展開論述分析。
1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)相關(guān)概述
1.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)
機器人是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的核心和靈魂所在。機器人主要由四大部分組成，第一部分為機器人本體，第二部分是控制系統(tǒng)，第三部分是驅(qū)動，最后一部分為傳感器。因此，從總體上來看，硬件部分以及軟件部分共同組成了工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)。對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在指令傳感器的基礎(chǔ)上進行控制，進而使機器人完成相應(yīng)動作或者任務(wù)。工業(yè)機器人控制系統(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)行機構(gòu)，最后一部分是檢測單元。在以上三個部分當中，作為整個控制系統(tǒng)核心和關(guān)鍵的主控單元，對機器人進行運動學(xué)計算、進行運動規(guī)劃以及插補計算是其主要的功能。通過以上流程，主控單元將運動控制指令向執(zhí)行機構(gòu)進行傳輸，在很大程度上控制系統(tǒng)開放性制約著機器人的開放性。這是因為工業(yè)機器人所有動作指令的發(fā)出者均為控制系統(tǒng)。
1.2開放式控制系統(tǒng)
在研究領(lǐng)域，還沒有一個針對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開放性的權(quán)威公認的定義。對于開放性，IEEE曾經(jīng)做出過這樣的定義表述，在不同平臺之間，系統(tǒng)在應(yīng)用的時候能夠自由的進行移植，而且能夠與其它系統(tǒng)實現(xiàn)相互交互，為用戶提供的交互方式是一致的。對于開放性系統(tǒng)，庫卡機器人集團創(chuàng)始人也曾經(jīng)進行過定義。開放性系統(tǒng)，計算機和操作系統(tǒng)運行環(huán)境是商業(yè)化的標準，同時計算機和操作系統(tǒng)硬件以及軟件接口具有開放性，而且計算機與操作系統(tǒng)的控制器也應(yīng)當具備開放式的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出標準化模塊化的特征。也就是說，用戶在使用過程當中，對機器人僅需通過簡單的指令就能夠進行操作。與此同時在工序發(fā)生變化的情況下，對于系統(tǒng)也能夠以最小的代價最短的時間進行修改，通過這種修改，能夠?qū)π碌男枨笥枰詽M足。在與機器人有關(guān)的相關(guān)研究課題當中，控制系統(tǒng)一直以來是一個非常熱門的研究課題。近年來，對于機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)過程當中，機器人應(yīng)用廣泛性不斷增強，對于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)而言，機器人已經(jīng)成為了一個非常重要的標準部件，將生產(chǎn)線上的各種設(shè)備的控制系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)總線進行有效的連接。對于現(xiàn)在生產(chǎn)裝備而言，形成一個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。這對于整個控制系統(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)過程當中，由不同廠家的設(shè)備組成生產(chǎn)設(shè)備，當前要將大部分設(shè)備綜合在一起，形成一個綜合全面的自動化，系統(tǒng)存在著比較大的困難。因此，在當前的工業(yè)生產(chǎn)過程當中，設(shè)備的開放性是一個備受關(guān)注的話題。除了受自身技術(shù)發(fā)展影響之外，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開放性等其他影響因素的制約。整體上來看，主要有兩個因素會影響到其開放性。第一，開放的自動化設(shè)備�？刂破髟诠I(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)當中，會給用戶生產(chǎn)者諸多好處，包括可擴展、可聯(lián)網(wǎng)、可移植等等。此外，控制系統(tǒng)開放程度增強的可行性隨著當前計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)商品化水平的提升而不斷增強。迄今為止，針對何謂機器人控制系統(tǒng)的開放性還沒有形成一個明確的具有權(quán)威性統(tǒng)一性的定義。整體上來看，開放式主要體現(xiàn)在可擴展性、互操作性、可移植性可增減性三個方面�？蓴U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，使得功能得到擴充�；ゲ僮餍缘木褪强刂破鞯暮诵牟糠郑軌蚺c外界的一個計算機或者多個計算機進行信息的交換�？梢浦残詣t指的是在不同的環(huán)境下，機器人的應(yīng)用軟件能夠相互之間進行移植�？稍鰷p性則指的是在實際需求的基礎(chǔ)上，機器人系統(tǒng)的性能以及功能能夠非常便捷化的進行增減。如果要實現(xiàn)上述特性、要求，計算機控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)當是標準化的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當具有開放性界面。
1.3控制系統(tǒng)的開放性概述
當前在國際上，開放式控制系統(tǒng)是重要的發(fā)展趨勢，特別是在發(fā)達國家在工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域，展開了非常激烈的競爭。GNGC研究計劃之后，美國為了推出模塊化控制系統(tǒng)，又制定了OMAC開發(fā)計劃，希望通過該計劃的實行來提升本國的自動化裝備水平。歐盟對控制系統(tǒng)的開放性要求進一步增強，也在積極推行OSICA計劃。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計劃，該計劃推行的主要目的是使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性進一步增強。日本的科研機構(gòu)在整個自動化領(lǐng)域之內(nèi)，根據(jù)自身的研究成果，與美國歐洲等國家在該領(lǐng)域的相應(yīng)科研機構(gòu)進行廣泛的交流。在相應(yīng)設(shè)計標準上達成一致。在應(yīng)用方面，工業(yè)機器人涉及的領(lǐng)域是非常廣泛的。因此，要使相應(yīng)的標準完全統(tǒng)一的困難是非常大的。然而，部分統(tǒng)一標準在特定應(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)自動化制造設(shè)備領(lǐng)域，已經(jīng)有了標準化交互界面，該交互界面由上層監(jiān)控系統(tǒng)與機器生產(chǎn)者用戶，以及上層仿真軟件商品進行交互信息的共享�，F(xiàn)階段，在市場當中，開放性水平已經(jīng)成為了商品化工業(yè)機器人獲得市場競爭力的關(guān)鍵要素。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開放性是必須的。得出這一結(jié)論，一方面，是出于機器人技術(shù)發(fā)展趨勢以及發(fā)展方向。另一方面，是出于工業(yè)機器人應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域自動化發(fā)展需求。但是，不論是從技術(shù)實現(xiàn)的可能性角度來看，還是從技術(shù)成本角度來看，追求嚴格意義上的開放性體系結(jié)構(gòu)是沒有必要的。目前，在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，機器人系統(tǒng)的數(shù)量是非常龐大的，而且技術(shù)進步速度也是令人瞠目結(jié)舌。要制定一個完全的絕對的開放標準，是根本沒有辦法實現(xiàn)的。現(xiàn)階段在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)領(lǐng)域，探討和研究的重點是可行的控制系統(tǒng)開放式結(jié)構(gòu)，使得控制系統(tǒng)的開放程度在現(xiàn)有計算機技術(shù)以及信息技術(shù)發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，進一步提升。
2工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式
2.1硬件實現(xiàn)方式
從硬件結(jié)構(gòu)的角度來看，開放式控制系統(tǒng)主要包括兩個部分，第一個部分是基于PC總線系統(tǒng)，第二個部分是基于VME總線系統(tǒng)。在很多方面pc具有突出的優(yōu)勢，例如開放性較強，具有非常理想的軟件開發(fā)環(huán)境，具有較為良好的通訊功能，成本不高。所以對于機器人開放式控制系統(tǒng)而言，當前很多機器人廠商將主要研究和開發(fā)對象，其中與基于PC總線系統(tǒng)。因此，基于這一硬件結(jié)構(gòu)的機器人開放式控制系統(tǒng)，主要包括應(yīng)主要包括四種硬件實現(xiàn)方式。第一種硬件實現(xiàn)方式為PC+運動控制卡。第二種硬件實現(xiàn)方式為基于IPC+運動控制卡。第三種硬件實現(xiàn)方式為基于PLC的控制系統(tǒng)。最后一種硬件實現(xiàn)方法為基于通用PC+工業(yè)實時以太網(wǎng)。第一種硬件實現(xiàn)方式對于PC實時性要求不高，具備開放性這是其主要優(yōu)勢。然而這種硬件實現(xiàn)方式也具有一定的缺陷，例如，對于運動控制卡的要求比較高，同時DSP也需要搭配。對于這種PC+運動控制卡的控制系統(tǒng)的研究比較早。對于機器人運動控制，我國研究學(xué)者也進行了大量的研究，他們所設(shè)計出來的機器人運動控制器對其運動控制的可靠性進行了大幅度提升。機器人動態(tài)運動通過國外研究者的不斷研究開發(fā)得以實現(xiàn)。國外研究學(xué)者開發(fā)的自由度機器人控制系統(tǒng)平臺同時可以實現(xiàn)與環(huán)境的快速交互功能。第二種硬件實現(xiàn)方式影響簡單，整體結(jié)構(gòu)也比較緊湊，這是其顯著優(yōu)勢。除此之外，開放性和兼容性也更加理想。這種模式與上一種模式的區(qū)別在于，機器人在PC機上進行運動學(xué)求解軌跡規(guī)劃以及插補算法。這種模式對于控制卡的數(shù)據(jù)處理壓力能夠起到非常顯著的緩解作用。與此同時，機器人工控機與運動控制卡在該模式下分工明確，對于基于IPC+運動控制卡的控制系統(tǒng)，我國很多學(xué)者也進行了不同程度的研究，如六軸工業(yè)機器點位、軌跡控制的實現(xiàn)等等。第三種硬件實現(xiàn)方式在硬件的連接方面特別簡單，聯(lián)網(wǎng)功能也非常強大。所以基于PLC的控制系統(tǒng)可以對多機器人通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)控。對機器人，我國學(xué)者在ABPLC的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了運動控制。最后一種硬件實現(xiàn)方式的主要優(yōu)勢在于控制效率高、可拓展性強。主要是因為網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)將來的主要發(fā)展趨勢和發(fā)展方向。在該領(lǐng)域的研究方面，我國已經(jīng)實現(xiàn)了機器人控制器的分布式網(wǎng)絡(luò)以及計算機的分布式網(wǎng)絡(luò)。與此同時，也實現(xiàn)了對于機器人分布式控制網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。
2.2軟件實現(xiàn)方法
現(xiàn)階段，在軟件功能的實現(xiàn)方面，大部分研究機構(gòu)的基礎(chǔ)主要以硬件開放式架構(gòu)為主，并在此基礎(chǔ)上，通過開放式純軟件控制技術(shù)藝來實現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能。通常情況下，在工控機Windows或者LINUX環(huán)境下，開放式軟件控制進行運算，全部的運動控制運算以及邏輯運算，通過軟件本身的內(nèi)核來完成。數(shù)據(jù)的傳輸以及信號的傳輸由硬件負責。一部分學(xué)者開發(fā)出了通用軟件包，適用于機器人控制，該通用軟件包程序是開源的，通過互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)Τ绦蜻M行下載。此外，一部分學(xué)者此外針對純開放式軟件控制技術(shù)，也有一部分學(xué)者進行了研究探討。在純開放式軟件控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國研究學(xué)者開發(fā)了純軟件開放式控制系統(tǒng)，并基于該控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了六種工業(yè)機器人的控制。
3基于開放式控制系統(tǒng)的多機器人協(xié)同
針對基于開放式軟件架構(gòu)以及硬件架構(gòu)的多機多機器人協(xié)同用之運動控制，現(xiàn)階段的研究成果相對是比較豐碩的。例如通過多層等級式的控制體系結(jié)構(gòu)，天津大學(xué)的宋偉科實現(xiàn)了多機器人的系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的實時任務(wù)調(diào)度。對于多機器人協(xié)同控制系統(tǒng)的離線編程系統(tǒng)，廖彥京平等學(xué)者進行了開發(fā)以及研究。國外主流機器人公司目前已經(jīng)研究開發(fā)出開放式結(jié)構(gòu)控制器，該控制器基于PC和實時以太網(wǎng)。Motoman通過大量的實驗，研制出雙機器人協(xié)調(diào)焊接。KUKA公司實現(xiàn)了機器人在車間的實踐應(yīng)用，將多機器人協(xié)同控制技術(shù)成功地應(yīng)用于奔馳車間，通過自己研發(fā)的IRC5控制器，ABB公司與Robotstudio機器人的編程與離線軌跡規(guī)劃軟件，通過雙機器人協(xié)調(diào)焊接，在開放式結(jié)構(gòu)控制器方面，實現(xiàn)了三臺機器人的精準聯(lián)動。對于軟件接口以及硬件接口，正是由于開放式控制系統(tǒng)進行了標準化定義，因此在標準設(shè)計基礎(chǔ)之上，所設(shè)計出來的第三方軟件以及第三方硬件在向控制系統(tǒng)集成過程當中實現(xiàn)就比較簡單了。這對于廠商的依賴性起到了大幅度降低作用。所以，在自身生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，企業(yè)能夠?qū)υO(shè)備相應(yīng)的增減�，F(xiàn)階段，在工業(yè)焊接、工業(yè)焊接、噴涂以及零部件的裝配等領(lǐng)域，多機器人均已得到廣泛的應(yīng)用。
4工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)總體方案
對于整個控制系統(tǒng)而言，機器人硬件系統(tǒng)能夠提供比較理想的物質(zhì)基礎(chǔ)，硬件部分是軟件部分工作的平臺。對于工業(yè)機器人整個控制系統(tǒng)的性能以及擴展性而言，控制系統(tǒng)的硬件部分起到了決定性作用，本文在模塊化以及開放性原則要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計如圖1所示的硬件部分�？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通過上圖能夠看出，主要通過兩級計算機架構(gòu)的形式來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的主體，這種形式的主要優(yōu)勢在于能夠完成相對較為復(fù)雜、精細的作業(yè)任務(wù)，對于相應(yīng)的任務(wù)，能夠較為精細、快速、可靠地進行分解，能夠并行完成任務(wù)。在硬件架構(gòu)的頂層，利用了具有成熟、可靠以豐富的接口的工控機作為上位機。在需要更換下位機的選擇合適的接口即可。除此之外，上位機的儲存容量以及運算速度也有要求，這是為了更好地處理機器人軌跡規(guī)劃、實現(xiàn)插補算法以及正逆求解機器人。同時，在具體需要的基礎(chǔ)上，工控機可以選擇主流操作系統(tǒng)，如Windows、Linux等，為了在軟件層面，提供機器人控制系統(tǒng)的擴展空間，可以安裝比較成熟的軟件工具，例如，可以配置可視化的軟件開發(fā)環(huán)境，例如Qt、MicroSoftVisualC++等。開發(fā)出承擔機器人控制軟件功能的人機交互界面。對于下位機而言，采用了由Galil公司推出的DMC-2163運動控制卡，運行獨立，能夠?qū)α鶄�電機同時進行控制，與上位機等設(shè)備通信過程中，通過RS232以及Ethernet等接口進行，運動速度快、可靠性高，為了在完成指令程序的過程中還能夠具備向控制卡中下載、燒錄等功能，Galil還在獨立于上位機運行的控制卡中封裝了指令解析器。
5工業(yè)機器人控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢
從概念的提出迄今為止，很多國家以及機構(gòu)對于機器人開放式控制系統(tǒng)進行了不同層面不同深度的研究，而且目前已經(jīng)取得了非常豐碩的研究成果。為了執(zhí)行全球自動化公司標準，日本1994年提出了OSEC計劃，美國在同一年為了實現(xiàn)用戶需求，制定相應(yīng)的功能模塊，提出了OMIC計劃，也就是說控制系統(tǒng)應(yīng)當具備標準化的接口層。OMC計劃選擇即插即用的模式，通過簡單的連接將特定功能模塊、控制系統(tǒng)進行連接，通過上述模式實現(xiàn)相應(yīng)的功能。歐盟在1996年開發(fā)了整個標準系統(tǒng)平臺，并將這一平臺應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當中，與此同時具備平臺通用性。機器人控制軟件隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在研究開發(fā)方面也取得了非常顯著的突破和進展。GPRO在2001年通過大量的實驗開發(fā)以及實驗設(shè)計，提出了自主機器人系統(tǒng)�？▋�(nèi)基梅隆大學(xué)在2003年為了促使控制算法實驗的實現(xiàn)，以及為了進一步簡化仿真開發(fā)出機器人控制軟件。2006年跨平臺開發(fā)得以實現(xiàn)，標志性事件是提出了開源軟件項目。2010年執(zhí)行文件隨著開源機器人操作系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)了單獨設(shè)計，與此同時開源機器人操作系統(tǒng)在機器人運行過程當中得到了實現(xiàn)，不受機器人硬件約束是開源機器人操作系統(tǒng)的主要優(yōu)勢所在，在不同的機器人之間均能夠適用�；陂_放式控制系統(tǒng)的多機器人協(xié)同運動控制隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，得到了非常顯著的進步。特別是國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域，例如對于多個工業(yè)機器人，天津一些高校通過多層等級是控制體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了其與主控系統(tǒng)任務(wù)之間的調(diào)度功能。除此之外，還有一些學(xué)者研究和開發(fā)了多機器人系統(tǒng)控制系統(tǒng)。從國外對于該領(lǐng)域的研究情況來看，已經(jīng)推出了開放式結(jié)構(gòu)控制器。該控制器建立在PC和實時以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上。與此同時，還開發(fā)出了相應(yīng)的多機器人協(xié)同控制系統(tǒng)，并將以上系統(tǒng)成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實踐過程當中。
6結(jié)論
綜上所述，作為工業(yè)機器人至關(guān)重要的組成部分控制系統(tǒng)，對于機器人技術(shù)的發(fā)展，在很大程度上起著決定性以及制約性作用。不論是國內(nèi)還是國外研究領(lǐng)域當中，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一項非常重要的研究課題。本文對于有關(guān)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)相關(guān)的研究成果進行了總結(jié)歸納以及梳理，希望能夠為相關(guān)的研究提供一點理論基礎(chǔ)。
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