工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分析研究

左培良，鄧先智，周琴

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提高，工業(yè)行業(yè)呈現(xiàn)出全新的發(fā)展形勢(shì)。工業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)技術(shù)不斷更新。而工業(yè)機(jī)器人作為一種全新的技術(shù)體系，在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域具有顯著地位，能夠順利促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)更新以及深入發(fā)展。而控制系統(tǒng)所具有的作用更是十分顯著，因此工業(yè)行業(yè)在發(fā)展機(jī)器人技術(shù)體系時(shí)，需要重點(diǎn)加強(qiáng)控制系統(tǒng)研發(fā)與創(chuàng)新，從而保證工業(yè)發(fā)展體系更加成熟。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)概述分析

1.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

在工業(yè)領(lǐng)域，作為機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，主要承載系統(tǒng)執(zhí)行管理功能。在機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)需要對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、方式等進(jìn)行計(jì)算與規(guī)劃，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境更加安全、穩(wěn)定。同時(shí)控制系統(tǒng)顯著決定著開放性功能是否合理發(fā)揮，具體體現(xiàn)在機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)作管理的全過程中。

1.2 開放式控制系統(tǒng)

開放性系統(tǒng)是一個(gè)權(quán)威性較強(qiáng)的定義，具體指系統(tǒng)能夠在多元化平臺(tái)和環(huán)境下，通過自由移植，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的交互與分享。此外，該概念的詮釋還有不同類型，例如運(yùn)行環(huán)境的開放性標(biāo)準(zhǔn)等。而在機(jī)器人系統(tǒng)領(lǐng)域，控制系統(tǒng)一直是關(guān)注的重點(diǎn)元件。尤其是在新時(shí)期的工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用越發(fā)廣泛，在一定程度上促進(jìn)了工業(yè)事業(yè)的智能化、信息化發(fā)展。在工業(yè)領(lǐng)域，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，將不同的工藝設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)為載體進(jìn)行銜接，從而實(shí)踐工業(yè)生產(chǎn)的全面性控制。控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定程度上推動(dòng)了工業(yè)的深入發(fā)展進(jìn)程，不僅能夠使工業(yè)信息傳遞效率加快，同時(shí)也能夠推動(dòng)工業(yè)信息的共享。隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，開放性控制系統(tǒng)成為人們重點(diǎn)研討的內(nèi)容。縱觀當(dāng)前的控制系統(tǒng)和設(shè)備，技術(shù)商品化水平是影響開放性的重要因素，也是促進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深入發(fā)展的關(guān)鍵模塊。目前開放性控制系統(tǒng)并沒有準(zhǔn)確定義。但是經(jīng)過總結(jié)，可以集中體現(xiàn)在3個(gè)方面：拓展性、操作性、移植性。

1.3 控制系統(tǒng)開放性概述

在國(guó)際化發(fā)展環(huán)境下，關(guān)于工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其開放性發(fā)展將成為主要趨勢(shì)，尤其是對(duì)于西方經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為顯著的國(guó)家，這將是一場(chǎng)嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)。以美國(guó)為例，相繼提出GNGC和OMAC計(jì)劃，就是為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化、智能化發(fā)展，顯著提高美國(guó)在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)地位。除美國(guó)外，歐盟以及日本等也十分看重控制系統(tǒng)開放性建設(shè)與發(fā)展，例如歐盟的OSICA以及日本的ASEC等計(jì)劃。除了研發(fā)，控制系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域所呈現(xiàn)的開放性特征也十分顯著。首先在應(yīng)用范圍方面具有較強(qiáng)的開放性特征。但是應(yīng)用范圍的廣泛性也造成了一定的問題，即無法在標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行統(tǒng)一與明確。不管怎樣開發(fā)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)未來工業(yè)改革以及實(shí)現(xiàn)深入發(fā)展都十分關(guān)鍵。不僅能夠滿足工業(yè)機(jī)器人未來研發(fā)需求，同時(shí)也在一定程度上順應(yīng)了未來工業(yè)改革發(fā)展趨勢(shì)。因此，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人加強(qiáng)控制系統(tǒng)研究是當(dāng)前工業(yè)改革要重點(diǎn)面臨的問題之一。

2 工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)方式

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)建設(shè)，需要從硬件方面進(jìn)行優(yōu)化。硬件組成具體體現(xiàn)2個(gè)方面：PC和VME系統(tǒng)。相較于后者，前者所呈現(xiàn)的功能比較突出，尤其是在開放性方面，具有顯著的特征。因此在控制系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域，呈現(xiàn)的作用比較顯著，不僅能夠?qū)ρ邪l(fā)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，同時(shí)也重點(diǎn)突出控制系統(tǒng)通訊功能，豐富系統(tǒng)功能類型。最重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)成本的有效控制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于PC的控制系統(tǒng)，在硬件方面的實(shí)現(xiàn)方式具體可以歸結(jié)為4個(gè)類型：（1）PC方式。該種實(shí)現(xiàn)方式雖然開放性特征比較顯著，但是在某些方面也存在一定問題，例如需要對(duì)控制卡提出嚴(yán)格要求。（2）IPC實(shí)現(xiàn)方式。在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出緊密性優(yōu)勢(shì)比較顯著，能夠有效緩解數(shù)據(jù)壓力，還能夠保證分工明確，從而促進(jìn)各項(xiàng)工業(yè)技術(shù)順利推進(jìn)。（3）PCL方法。在連接以及聯(lián)網(wǎng)方面所呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)比較顯著，同時(shí)也能夠促進(jìn)多個(gè)的機(jī)器人之間的協(xié)同運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)運(yùn)行環(huán)境的在線監(jiān)控。（4）通用PC與以太網(wǎng)的結(jié)合模式。該模式在工業(yè)控制領(lǐng)域所呈現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也比較顯著，具體體現(xiàn)效率顯著，同時(shí)也在很大程度上順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于促進(jìn)工業(yè)智能性、現(xiàn)代化發(fā)展，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方式

除硬件結(jié)構(gòu)外，軟件結(jié)構(gòu)在開放性控制系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮的作用尤為顯著。控制環(huán)境主要以2種狀態(tài)為主：Windows、LINUX。在特定的環(huán)境下，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，通過邏輯運(yùn)算完成相關(guān)控制指令，保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)與應(yīng)用，相關(guān)人員專門開發(fā)出軟件包，為開放性控制系統(tǒng)提供專門、特定的服務(wù)，從而保證工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)功能，能夠得到充分、合理的發(fā)揮。除上述軟件開發(fā)操作，還有很多學(xué)者就控制系統(tǒng)，專門從開放性方面就相關(guān)技術(shù)手段以及控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，并且實(shí)現(xiàn)了多類型機(jī)器人的協(xié)同控制運(yùn)作，在很大程度上改變了工業(yè)發(fā)展環(huán)境。

3 基于開放式控制系統(tǒng)的多機(jī)器人協(xié)同分析

在機(jī)器人控制系統(tǒng)領(lǐng)域，關(guān)于開放性系統(tǒng)的協(xié)功能分析呈現(xiàn)出十分顯著的效果，而多層等級(jí)類型的系統(tǒng)是比較典型的研發(fā)成果，在該領(lǐng)域呈現(xiàn)的地位十分突出。同時(shí)很多學(xué)者開始參與多機(jī)器人協(xié)同研究領(lǐng)域，提出了很多學(xué)說與程序，這對(duì)于系統(tǒng)的開放性開發(fā)具有積極的影響和意義。尤其是國(guó)外很多公司，開始將多機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，在很大程度上提高了工業(yè)實(shí)踐作業(yè)效率，同時(shí)也促進(jìn)了工業(yè)實(shí)現(xiàn)深入的改革與發(fā)展。例如在美國(guó)焊接工業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用了雙機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)。而在奔馳車間生產(chǎn)領(lǐng)域，也應(yīng)用了多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了2～3個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作與控制，在很大程度上提高了車間生活生產(chǎn)工作效率和質(zhì)量。目前多機(jī)器人協(xié)調(diào)已經(jīng)受到了十分普遍和廣泛的應(yīng)用，例如在焊接、噴涂等領(lǐng)域，受到廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)出顯著的效果。

4 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案分析

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，關(guān)于控制系統(tǒng)需要以總體方案為載體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證系統(tǒng)功能更加全面和具體。在硬件結(jié)構(gòu)方面，計(jì)算方式主要以兩級(jí)為主，并且具有顯著的功能優(yōu)勢(shì)，不僅能夠有效地解決復(fù)雜的問題，同時(shí)也能夠全面提高控制結(jié)果的精度，保證控制工作效率更加顯著。在頂層設(shè)計(jì)過程中，為保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成更加成熟化與安全化，工作人員需要適當(dāng)豐富接口，對(duì)上位機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善與優(yōu)化。同時(shí)對(duì)工業(yè)機(jī)器人存儲(chǔ)容量、信息傳遞速度等進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)估計(jì)，對(duì)整體運(yùn)作環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制。具體的硬件結(jié)構(gòu)編制圖顯示如圖1。

圖1

5 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

通過分析工業(yè)機(jī)器人在當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域控制系統(tǒng)方面呈現(xiàn)的方式和效果，可以發(fā)現(xiàn)，在未來工業(yè)領(lǐng)域該控制系統(tǒng)將呈現(xiàn)出顯著的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。尤其是在信息化發(fā)展環(huán)境下，各國(guó)十分看重信息技術(shù)更新與完善。隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用已經(jīng)是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。通過多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，優(yōu)化工業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)工業(yè)工藝發(fā)展全面協(xié)調(diào)與控制，還能保證各項(xiàng)生產(chǎn)作業(yè)高效地進(jìn)行。因此在未來的工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，必須在思想上重視工業(yè)機(jī)器人，并且重點(diǎn)研發(fā)相關(guān)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)圍繞當(dāng)期工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境，就相關(guān)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)與創(chuàng)新，積極學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的控制理論和技術(shù)手段。依據(jù)國(guó)家工業(yè)發(fā)展環(huán)境以及具體的發(fā)展要求，進(jìn)行改良與創(chuàng)新，創(chuàng)建出符合國(guó)家工業(yè)發(fā)展需求的控制體系。

6 結(jié)語

綜上所述，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，控制系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，為保證工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)功能得到正常發(fā)揮，工業(yè)行業(yè)必須重點(diǎn)加強(qiáng)控制系統(tǒng)建設(shè)。從開放性、系統(tǒng)性、總體性特征進(jìn)行重點(diǎn)分析，完善控制系統(tǒng)。同時(shí)，分析控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，掌握未來控制系統(tǒng)調(diào)整和創(chuàng)新方向，從而使工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化控制與管理。