工业机器人开放式控制系统研究论文
摘要：随着科技与经济的迅速发展，工业机器人在现代制造业中扮演的角色也越来越重要，其对机器人运动控制系统提出了更高的要求。作为工业机器人的重要组成部分，控制系统也在一定程度上制约了机器人技术的发展。本文从机器人开放式控制系统概述出发，介绍了几种主流开放式控制系统的实现方法，并对控制系统的未来发展寄予展望。
关键词：工业机器人；开放式控制系统；实现方法；发展展望
伴随德国工业4.0与战略中国2025计划的提出，传统制造业也面临改革和升级，以机器为主导的自动化设备越来越受欢迎。制造业要求机器人更强的柔性与开发性，能够与工业生产中不同的设备通过总线或者以太网连接到同一网络平台，以形成一套综合控制系统。但是就目前的状况来看，不同厂家的机器人控制系统只遵循相关厂家的要求和标准，采用封闭的编程语言与控制器，用户在根据需求进行调整中遇到的困难是极大的，因此工业机器人开放式控制系统的研究成为了国内外科研机构研究的重点。
一、工业机器人控制系统
工业机器人控制系统以机器人为核心，机器人由机器人本体、控制系统、驱动以及传感器组成。由此可知，硬件和软件组成了工业机器人控制系统，它依据指令和传感器对机器人进行控制，促使其完成规定动作或任务。工业机器人控制系统主要由主控单元、执行机构以及检测单元组成。作为整个系统的核心，主控单元主要对机器人进行运动学的计算、运动规划以及插补计算等，将用户的运动控制指令传输到执行机构。由于工业机器人的所有动作指令均来源于控制系统，因此控制系统在很大程度上限制了工业机器人的开发性。
二、开放式机器人控制系统
现阶段来说，工业机器人控制系统的开发性还没有较为严格的定义，从IEEE对“开放”的官方定义来看，开放系统应满足系统的应用可以在不同的平台之间移植，与其他应用系统相互交互，为用户提供一致的交互方式[1]。对于开放式控制器来说，它应具有接口标准化、模块化的开放式结构，使得用户只要具备简单的机器人知识就可操作机器人，不必深入了解机器人的内部结构，以便在工序发生变化时用尽量少的时间和代价修改系统，以满足新的应用。
三、开放式控制系统的实现方法
1.开放式控制系统的硬件实现方法开放式控制系统硬件结构主要包括基于PC总线系统和VME总线系统，由于PC开放性强、软件环境开发优良、通讯功能良好及成本低廉，它成为了大部分机器人厂商机器人开放式控制系统的主要研究和开发对象。其硬件实现方法有以下四种：一是基于“PC+运动控制卡”，优势表现在对PC实时性要求低，具备开发性等，但是对运动控制卡要求较高，同时还需搭配DSP；基于“IPC+运动控制卡”，优势在于影响更为简单，整体也更为紧凑，在具有开发性的基础上还具有兼容性，与前者的区别在于更能缓解控制卡的数据处理压力，此种模式下工控机与运动控制卡有明确的分工；基于PLC的控制系统，在硬件连接方面十分简单，同时具有强大的联网功能，以实现对多机器人的监控；最后基于“通用PC+工业实时以太网”的控制系统，控制效率高，且可拓展性极强。2.开放式控制系统的软件实现方法就目前来说，在开放式控制系统的软件实现方面，大部分机构均是以硬件开放式架构为基础，利用开放式纯软件控制技术来实现的。纯软件控制技术多运行于工控机上Windows或Linux环境下，所有的运动控制运算与逻辑运算都由软件本身的内核完成，硬件仅仅负责I/O信号的传输[2]。此时便可选择高性能的伺候网络来构建伺候通讯平台，方便的接入多个机器人，以实现对多机器人的控制。
四、开放式控制系统的发展与展望
随着科技与经济的迅速发展，工业机器人在现代制造业中扮演的`角色也越来越重要，即其对机器人运动控制系统提出了更高的要求。对于如何实现开放式控制系统的问题，来自伦敦大学的学者在采用分层结构的基础上提出了开放式机器人控制器的结构。从开放式控制系统的概念提出至今，许多国家出资对此进行了研究与探索，其中最具影响力的三个为：欧盟的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithAutomationSystem），由欧洲的研究机构和控制器厂商共同提出且于1996年完成开发；日本的OSEC，由日本国内一些大型机械及机电制造商于1994年提出，意在为全球的自动化公司制定一种标准；美国于1994年提出的OMAC，区别于前两个计划的是OMAC的控制系统具有标准化的接口层，此时用户便于制定满足自己需求的一系列特定功能模块，“即插即用”，方便连接到简单的控制系统。计算机快速发展的同时，具备平台通用性的机器人控制软件也在快速发展，从2001年的自主机器人系统CLARAty一直到2010年采用分布式处理构架的开源机器人操作系统ROS，可执行文件能够单独被设计，系统本身能够自带控制算法与指令。就目前来说，虽然还没有严格意义上的完全开发的控制系统，但随着科技的发展，未来工业机器人开放式控制系统在工业领域的前景是不可估量的。
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