工業機器人運動控制分析與研究

牟海榮

摘要

作為工業機器人不可或缺的關鍵組成部分，控制系統對于機器人技術的發展在很大程度上起到了制約作用。本文首先概括與總結了機器人控制系統相關的研究成果，重點對控制系統的結構特點、開放性的軟件以及開放式的硬件實現方式較為詳細地進行了闡述。接著對于多機器人協同控制應用現狀進行總結，最后提出了其在該領域將來的發展趨勢。

【關鍵詞】機器人 控制系統 協同控制

在制造業發展過程當中，工業機器人扮演著非常重要的角色。在當前背景下，工業機器人對生成需求日益提升。一方面，工業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生產不同設備之間的兼容性，使工業機器人能夠與不同生產設備形成一套綜合的控制系統。當前工業機器人技術最前沿的科研成果與物理學科息息相關。當前對于我國科研機構而言，工業機器人開放式控制系統的研究已經成為非常關鍵、非常重要的科研課題。

不論是運動學，還是動力學都和工業機器人控制系統具有非常密切的關聯。工業機器人在低速平穩運行當中，工業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、重力是影響工業機器人穩定性以及動態性的主要因素。這就充分顯示出工業機器人控制系統和物理學具有非常緊密的關聯。所以本文從物理學角度對于工業機器人控制系統從以下幾個方面展開論述分析。

1 工業機器人控制系統相關概述

1.1 工業機器人控制系統

機器人是工業機器人控制系統的核心和靈魂所在。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，第三部分是驅動，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機器人的控制系統。對工業機器人控制系統在指令傳感器的基礎上進行控制，進而使機器人完成相應動作或者任務。工業機器人控制系統主要由三部分組成，第一部分是主控單元，第二部分是執行機構，最后一部分是檢測單元。

在以上三個部分當中，作為整個控制系統核心和關鍵的主控單元，對機器人進行運動學計算、進行運動規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行機構進行傳輸，在很大程度上控制系統開放性制約著機器人的開放性。這是因為工業機器人所有動作指令的發出者均為控制系統。

1.2 開放式控制系統

在研究領域，還沒有一個針對工業機器人控制系統開放性的權威公認的定義。對于開放性，IEEE曾經做出過這樣的定義表述，在不同平臺之間，系統在應用的時候能夠自由的進行移植，而且能夠與其它系統實現相互交互，為用戶提供的交互方式是一致的。對于開放性系統，庫卡機器人集團創始人也曾經進行過定義。開放性系統，計算機和操作系統運行環境是商業化的標準，同時計算機和操作系統硬件以及軟件接口具有開放性，而且計算機與操作系統的控制器也應當具備開放式的結構，呈現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。與此同時在工序發生變化的情況下，對于系統也能夠以最小的代價最短的時間進行修改，通過這種修改，能夠對新的需求予以滿足。

在與機器人有關的相關研究課題當中，控制系統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以及功能。隨著在工業生產過程當中，機器人應用廣泛性不斷增強，對于工業生產系統而言，機器人已經成為了一個非常重要的標準部件，將生產線上的各種設備的控制系統通過互聯網或者工業總線進行有效的連接。對于現在生產裝備而言，形成一個具有綜合性全面性的控制系統，成為了一種重要的發展趨勢。這對于整個控制系統信息數據的流通傳遞共享起到了顯著的加速作用。但是，現代工業生產過程當中，由不同廠家的設備組成生產設備，當前要將大部分設備綜合在一起，形成一個綜合全面的自動化，系統存在著比較大的困難。因此，在當前的工業生產過程當中，設備的開放性是一個備受關注的話題。除了受自身技術發展影響之外，工業機器人控制系統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，開放的自動化設備。控制器在工業生產系統當中，會給用戶生產者諸多好處，包括可擴展、可聯網、可移植等等。此外，控制系統開放程度增強的可行性隨著當前計算機互聯網技術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的開放性還沒有形成一個明確的具有權威性統一性的定義。整體上來看，開放式主要體現在可擴展性、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備生產者能夠增加硬件設備和軟件設備，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指的是在不同的環境下，機器人的應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上，機器人系統的性能以及功能能夠非常便捷化的進行增減。如果要實現上述特性、要求，計算機控制系統的硬件應當是標準化的體系結構應當具有開放性界面。

1.3 控制系統的開放性概述

當前在國際上，開放式控制系統是重要的發展趨勢，特別是在發達國家在工業機器人開放式控制系統領域，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，又制定了OMAC開發計劃，希望通過該計劃的實行來提升本國的自動化裝備水平。歐盟對控制系統的開放性要求進一步增強，也在積極推行OSICA計劃。在該領域，日本也正在積極部署，日本的很多裝備制造業企業聯合推行OSEC計劃，該計劃推行的主要目的是使得控制系統結構的靈活性進一步增強。

日本的科研機構在整個自動化領域之內，根據自身的研究成果，與美國歐洲等國家在該領域的相應科研機構進行廣泛的交流。在相應設計標準上達成一致。

在應用方面，工業機器人涉及的領域是非常廣泛的。因此，要使相應的標準完全統一的困難是非常大的。然而，部分統一標準在特定應用領域是可行的，而且是非常有幫助的。例如，在半導體工業自動化制造設備領域，已經有了標準化交互界面，該交互界面由上層監控系統與機器生產者用戶，以及上層仿真軟件商品進行交互信息的共享。現階段，在市場當中，開放性水平已經成為了商品化工業機器人獲得市場競爭力的關鍵要素。