工業機器人集成開發中的協議與數據開放標準化

楊舸

摘要：工業機器人在工業化生產中的應用越來越廣泛，2016年工業和信息化部、國家發展和改革委員會、財政部聯合印發的《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》中指出，雖然我國機器人產業已經取得了長足進步，但與工業發達國家相比，還存在較大差距，主要表現在機器人產業鏈關鍵環節缺失，零部件中高精度減速器、伺服電機和控制器等依賴進口。目前，以國家質量基礎的共性技術研究與應用（NQI）重點專項，“智能制造基礎共性和關鍵技術標準研究”項目（編號：2016YFF0202000）為核心的工業機器人標準正在如火如荼地制定過程中，而我國自2013年起已經成為全球第一大工業機器人應用市場，主要集中在二次集成開發，要想促進工業機器人本體及其關鍵零部件的國產化，提升二次集成開發的應用價值，很重要的一個方向是能通過協議以及數據開放的標準化達到各子系統或零部件之間的互聯互通、互換及柔性控制。

關鍵詞：工業機器人 集成開發 協議 數據開放 標準化 互聯互通 互換 柔性控制

Protocol and Data Opening Standardization in Integration and Development of Industrial robots

Yang Ge （Shenzhen Institute of Standards and Technology）

Abstract： Industrial robots are used in industrial production more and more extensive， “Industry Development Planning of Robots （2016—2020）” released by ministries and commissions such as the MIIT， etc. indicated that， although robots industry has made great progress in China， but there is still a big gap from developed countries， it is expressed in missing key industry chain， high precision reducer， servo motor and controller are relying on import. At present， according to the “research on basic commonness and key technical standards of intelligent manufacturing” NQI major project （project NO. 2016YFF0202000）， many industrial robots standardization will be released soon. Since 2013， it has become the largest industrial robot application market on secondary integration and development， to improving the status and nationalization of industrial robots and its key component， application value of secondary integration development， it is an important direction for achieving interconnection， interchangeability and flexible control between subsystems or components through protocol and data opening standardization.

Key words：? industrial robots， integration and development， protocol， data opening， standardization， interconnection， interchangeability， flexible control

1 工業機器人的定義及結構組成

在現行國家標準GB/T 12643—2013《機器人與機器人裝備 詞匯》中對工業機器人的定義是：“自動控制的、可重復編程、多用途的操作機，可對三個或三個以上軸進行編程。它可以是固定式或移動式。在工業自動化中使用”。此定義也與國際標準ISO 8373中的定義保持一致。不同組織對工業機器人也有自己的定義，例如美國機器人工業協會（RIA）對工業機器人的定義為：“工業機器人是用來進行搬運材料、零件、工具等可再編程的多功能機械手，或通過不同程序的調用來完成各種工作任務的特種裝置”。可見，從結構操作或應用等不同角度來定義其描述不盡相同。但通俗一點理解，工業機器人是面向工業自動化場景下的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，可編程，靠自身動力和控制能力來實現各種功能，通常裝有刀具或其他輔助加工工具，能夠搬運材料、工件，完成各種工序操作。

工業機器人的組成分硬件和軟件兩部分，按功能一般分為下列五個部分：機械本體、伺服驅動單元、傳感系統、輸入/輸出系統接口和控制系統。各個系統的作用見圖1所示。

2 工業機器人產業發展概況

當前，全球機器人市場規模持續擴大，據國際機器人聯盟（IFR）數據顯示，2018年全球機器人市場規模接近300億美元，2013～2018年平均增長率約15.1%。工業機器人168.2億美元，服務機器人92.5億美元，特種機器人37.5億美元。2018年，我國機器人市場規模預計達到87.4億美元，2013～2018年平均增長率接近30%，工業機器人62.3億美元，是全球第一大工業機器人應用市場。工業機器人產業可細分為三個主要的子產業，包括關鍵零部件產業、工業機器人本體產業、系統集成產業。

2.1 關鍵零部件

工業機器人產業的發展為其核心零部件的發展和應用創造了眾多機會。工業機器人除本體以外，主要有三大核心零部件，包括控制器、伺服系統、減速器，它們占到工業機器人成本的70%左右。而隨著人工智能浪潮的愈演愈烈，機器視覺系統也成了工業機器人不可或缺的一部分。

控制器是機器人的大腦，發布和傳遞動作指令。它包括硬件和軟件兩部分，硬件就是工業控制板卡，軟件部分主要是控制算法、二次開發等。目前，國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平臺基礎上進行自主研發，各品牌機器人均有自己的控制系統與之匹配，國內企業控制器尚未形成市場競爭優勢。現有的工業機器人控制器封閉構造，帶來開放性差、軟件獨立性差、容錯性差、擴展性差、缺乏網絡功能等缺點，已不能適應智能化和柔性化要求。開發標準化、開放化控制器是工業機器人的一個發展方向，存在巨大發展空間。

伺服系統是工業機器人的關節，是工業自動化的重要組成部分，是自動化行業中實現精確定位、精準運動的必要途徑，在機床工具、紡織機械和包裝機械等領域得到廣泛應用。機器人的關節驅動離不開伺服系統。關節越多，機器人的柔性和精準度越高，所需要使用的伺服電機數量就越多。工業機器人市場的快速增長必然帶動伺服系統的市場規模不斷上升。

減速器是工業機器人的神經。減速器指的是連接動力源和執行機構之間的中間裝置，通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪帶動輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。大量應用在工業機器人上的減速器主要有RV減速器和諧波減速器。近年來，隨著我國工業機器人應用市場的快速發展，工業機器人用減速器市場的需求規模也隨之增長。

雖然減速器、伺服系統在工業機器人成本中所占比重較大，但國內減速器、伺服系統等關鍵零部件發展相對滯后，技術水平較低，產品穩定性差，與國外產品相比存在不少差距，導致國內工業機器人減速器、伺服系統等零部件主要依賴進口，國內企業工業機器人生產成本較高，競爭力較弱。

2.2 工業機器人本體

工業機器人的本體是指其機體結構和機械傳動系統，也是工業機器人的支承基礎和執行機構，主要包括傳動部件、機身及行走機構、臂部、腕部和手部五個部分。本體是工業機器人的重要部分，所有的計算、分析和編程最終要通過本體的運動和動作完成特定的任務。工業機器人本體是系統集成及應用的中心，其性能決定了系統集成及應用技術的水平。

從產業鏈的角度看，工業機器人本體是機器人產業發展的基礎。盡管在國家政策的大力推動下，國產工業機器人廠商規模不斷擴大，但其核心零部件的缺失導致企業生產成本高企，企業的盈利能力不容樂觀。此外，為應對新崛起的國產品牌，外資廠商紛紛采取降價的手段削弱國產工業機器人的市場競爭力。這些因素使得工業機器人本體產品的市場規模遠遠不如系統集成。

2.3 系統集成

工業機器人的系統集成包括計算機軟件、硬件、操作系統技術、數據庫技術、網絡通信技術等的集成，以及不同廠家產品選型、搭配的集成。系統集成所要達到的目標是整體性能最優，即所有部件集成后相互協作，形成一個性能勻稱、可擴充、可維護的全系統。工業機器人系統集成及應用技術是工業機器人商業化和大規模普及的關鍵。

2.3.1 工業機器人集成產業應用方向

工業機器人本體是系統集成的中心，必須與行業應用相結合。系統集成是對工業機器人本體的二次開發，本體的性能決定了系統集成的水平。國際品牌更清楚怎樣去做整合來充分發揮功能達到客戶的需求，所以系統集成還是以國際品牌為核心，市場大小也是按汽車、3C電子、金屬加工、物流等技術要求高、自動化程度高的行業向技術要求較低、自動化程度較低的行業排列。

工業機器人下游最終用戶可以按行業分為汽車工業行業和一般工業行業。汽車行業自動化程度已經比較高。大部分外資整車廠商的生產線標準及工業機器人選型是全球統一的，國產機器人難有機會。而在目前國產工業機器人技術尚未完全成熟的情況下，國產整車廠也不敢貿然使用國產工業機器人完成重要工位的自動化操作。汽車是技術密集型產業，整車廠在長期使用工業機器人的過程中也形成了自己的規則和標準。技術要求高且要契合車廠特有的標準，對系統集成商來說，構成了較高的準入門檻。多數國內集成商主要還是做一些分包或者不太重要的項目，少數已經入圍的系統集成商獲得了先發優勢。一般工業中按行業分類又可以分為食品飲料、石化、金屬加工、醫藥、3C、塑料、白家電、煙草等，按應用分為焊接、機床上下料、物料搬運碼垛、打磨、噴涂、裝配等，工業機器人的應用除了重復精度高、工作效率高等特點外，還能使工人從惡劣的工作環境中解放出來，具有較大的社會效益。

2.3.2 工業機器人集成產業規模

在工業機器人領域，我國企業目前主要的競爭優勢在系統集成方面，80%的工業機器人企業都集中在該領域。隨著系統集成商圍繞工業機器人做整線集成，相關的專用設備和電氣原件等的價格逐年下調，國內企業憑著性價比和服務優勢逐漸替代進口，市場份額穩步上升，現已占據了半壁江山。工業機器人和系統集成是我國工業自動化發展方向，為推動制造業升級，實現自動化、智能化，國家高度重視工業機器人產業發展，從研發、采購、應用推廣等多方面提供政策資金支持;集成系統的研發，是工業機器人產業鏈上利潤最高也是技術門檻最高的環節。近年來，隨著工業機器人產業的蓬勃發展，系統集成應用也逐年升溫，備受追捧。集成系統以零配件和工業機器人為基礎，是未來企業提高生產效率、增加市場競爭力的主要方式之一。一般情況下，系統集成市場規模可達機器人本體市場規模的三倍。根據中投顧問產業研究中心預測，2020年工業機器人本體市場規模可達276億元人民幣左右，集成系統市場規模則有望接近830億元人民幣，未來五年年均增速可達20%。

綜上，“伺服系統”“控制器”“核心算法”“精密減速器”以及“應用和集成技術”這五大核心技術被譽為工業機器人本體的“成功五要素”。國產工業機器人本體產業要實現快速發展，在這五大領域中至少要在兩到三個方面積累競爭優勢。首先需在伺服系統和控制器兩方面穩固根基，其次在核心算法方面要有所突破。國內工業機器人本體企業突破關鍵零部件有兩種思路：一是走關鍵零部件自主研發路線;二是走深度合作路線，打通工業機器人產業上下游。工業機器人本體是自動化技術集大成者，在機器人產業鏈上議價能力最強，可以有效整合上游零部件企業和下游系統集成商。

3 工業機器人視覺集成系統協議標準化

3.1 概述

在我國工業機器人系統集成產業蓬勃發展的同時，也面臨著諸多技術問題。以工業機器人與視覺單元集成為例，作為工業機器人的“大腦中樞神經”，人工智能在過去的幾年里一直處于持續的高速發展階段，很多工業機器人也已經具備了相當高的智能化特點，但是還遠遠達不到人類所設想的智能化程度。工業自動化的真正實現，需要高度智能化的工業機器人去替代人類的一部分工作，而想讓工業機器人能很好地替代人類工作的話，首先要做的就是讓它們能“看”得到，當工業機器人具備觀察事情的能力時，才能夠很好地對事情判斷，從而做到智能化、靈活、自主地解決問題，而且在工業4.0的趨勢下，智能制造對工業機器人的要求也越來越高，傳統的通過編程來執行某一特定動作的工業機器人，將不再能滿足制造業向前發展的需求。

要工業機器人能“看”到，需要給工業機器人裝上一雙“慧眼”，以目前的主流技術來說，就是將工業機器人與視覺單元進行集成，形成工業機器人視覺集成系統，常應用于搬運、加工、檢測及裝配幾大領域，各領域又分為多個工藝，在工業化大生產中的引導、定位、檢測、測量、識別等多場景下進行應用。視覺單元是工業機器人的眼睛。工業自動化的實現需要高度智能化的工業機器人代替人類的一部分工作;而顯然，如果想讓機器人很好地替代人類工作，首先要確保它們能“看”得到，這就依賴于機器視覺系統來完成。機器視覺系統可以通過機器視覺產品即圖像攝取裝置，將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字信號，然后圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。具體工藝要素及視覺功能如表1所示。

工業機器人與視覺單元的集成，除了各自滿足產品所需要達到的安全、質量、可靠性等技術要求之外，還需要涉及多種技術的融合，例如裝配技術、坐標系標定技術、通信協議適配技術等。工業機器人視覺集成系統的應用最基礎需要實現的，就是不同品牌或種類的工業機器人與不同品牌或種類的視覺單元能夠互聯互通，只有實現了互聯聯通后，才有可能在不同應用場景下完成各種定制功能的集成開發。而實現不同工業機器人與視覺單元的互聯互通所需滿足的除了硬件物理接口的適配要求之外，通信協議的適配是不可或缺的重要手段之一。通信協議是指多方實體完成數據和信息交互或服務所必須遵循的規則和約定。通過通信信道互連起來的多個產品或設備，要使其能協同工作實現信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，必須遵循某種互相能夠接受的規則。

開放系統互連參考模型 （Open System Interconnect ，OSI）是國際標準化組織（ISO）和國際電報電話咨詢委員會（CCITT）聯合制定的開放系統互連參考模型，根據GB/T 9387.1—1998《信息技術 開放系統互連 基本參考模型 第1部分：基本模型》（等同采用ISO/IEC 7498-1：1994）中的定義，為開放式互連信息系統提供了一種功能結構的框架，從低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層，層級結構詳見圖2。通常來說，物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層面向通信，而會話層、表示層及應用層是面向信息處理。

要實現不同廠家工業機器人與不同廠家視覺單元的互聯互通需求，制定一套工業機器人與視覺單元廠家之間可以互相理解的“通用協議語言”至關重要。通過對多家工業機器人與視覺單元廠家調研發現，底層的通信協議部分，例如數據鏈路層以及運輸層，各家均會根據不同應用場景采用不同的通用通信協議支持，工業機器人與視覺單元集成常用的通用通信協議、應符合的標準、適用的網絡架構層次以及應用方式如表2所示。

對于面向通信的通用協議，均已標準化，且應用較成熟，除必要的再開發外，集成開發企業一般不會去更改現有的標準化協議，集成開發主要針對面向信息處理的互聯層級進行，而且越面向高層級進行協議的定制開發，不同產品及設備廠家之間能達成一致的意愿和程度越強，因為需要開發的內容少，流程相對簡化。

3.2 系統組成

工業機器人視覺集成系統可以抽象成由主控單元、工業機器人和視覺單元集成為一個軟硬件平臺，主控單元進行流程總控，工業機器人負責運動控制，視覺單元負責視覺信息處理。主控單元根據應用的實際情況主要有如圖3所示兩種形式：

1）主控單元、工業機器人和視覺單元相對獨立，工業機器人和視覺單元分別與主控單元進行交互，如圖3（a）所示;

2）工業機器人同時作為主控單元，與視覺單元進行交互，如圖3（b）所示。

3.3 協議標準化

工業機器人視覺集成系統協議僅對應用層進行定義，對其他層級不做定義，通過對應用層報文格式，包括幀結構以及部件數據編碼的定義，實現工業機器人和視覺單元的集成與互聯互通。

在幀結構定義中，可以明確幀的字節長度、傳輸順序，同時給出如表3所示的幀結構應用表，并在表中對字段名、字段長度以及定義進行詳細的說明。

在部件數據編碼定義中，可對表4所示的部件數據編碼所占的字節位、數據名稱、數據構成、數據類型、單位、字節總長度進行定義以及必要的說明。

對于視頻流的傳輸協議，可以根據傳輸介質的不同，選擇支持不同的傳輸協議，例如網線傳輸可采用GigE Vision協議，USB傳輸可采用USB3 Vision協議。

4 工業機器人數據開放標準化

4.1 概述

以工業機器人柔性控制技術應用為例，目前工業機器人多以“剛性”的角色出現在工業化制造現場，按照已編制好的程序，或視教方式進行運動控制。在智能制造、人工智能大背景的驅動下，未來工業機器人將朝著智能化、柔性化的方向發展。工業機器人柔性化之后，將具有更好的環境適應性、安全性、人機交互能力。柔性化的發展方向一種是制造材料的柔性化，例如外殼，一種是通過對關節等零部件的驅動實現。對于材料的柔性化，只能是部分結構材料在滿足安全性的前提下選用柔性材料替代現在的金屬或其他材料，而對于工業機器人內的控制器、伺服裝置、減速機、其他輔助材料等比較難完全用柔性材料替代，這時候更多的是需要通過柔性控制技術來達到對工業機器人的柔性化實現，例如工業機器人和視覺的集成應用，增強機器人的“感知”能力，還可以通過對工業機器人驅動總線反饋的狀態數據和外部傳感器采集的傳感數據，實時調整其運動規劃進行點位控制或者連續路徑控制的方式。

4.2 柔性控制技術及其實現

傳統的工業機器人控制技術主要體現為，按照預先示教的點位和預先編好的程序實現指定路徑的運動任務。而柔性控制技術是指工業機器人在實現傳統運動控制任務的同時，通過感應外部環境實時調整運動軌跡以達到完成特定任務的控制方式，例如，拖動示教、交互示教、遙操作示教、碰撞檢測、視覺引導等應用場景。

如圖4所示，為柔性控制技術的基本實現框架圖，主要通過柔性控制模塊來實時調整工業機器人的運動軌跡。其中，工業機器人狀態數據是指驅動總線反饋的電機位置、電機速度、電機力矩等數據，傳感數據是指通過外部傳感器采集的部分環境數據，比如力矩、圖像、電壓、電流等。

柔性控制模塊的核心是實現柔性控制算法，例如信號處理算法、工業機器人動力學算法、圖像檢測與識別算法等。這些算法都需要一定的數據支撐，即前述的工業機器人狀態數據和環境傳感數據;同時也需要添加一些其他的輔助功能，比如DI/DO、文件讀寫、停止報錯等。如圖5所示為工業機器人柔性控制模塊的基本實現方法，所需數據和輔助功能通過相應的接口與柔性控制算法進行交互，運動指令的下發既可以直接調用運動函數，也可以進行軌跡插補后給出具體的指令數據。

4.3 軟件系統數據開放的標準化

為實現對工業機器人的柔性控制，軟件系統不僅要具有獨立運行的控制軟件系統和伺服驅動軟件系統，而且要開放相應的數據接口以供柔性控制模塊的二次開發調用，其中控制軟件系統需要開放的函數接口如表5所示。

伺服驅動軟件系統應具備可擴展性，以便于用戶進行柔性擴展相關的開發。因此，伺服驅動軟件系統應開放如表6所示的數據傳輸接口，考慮到工業機器人的安全性，需要對操作權限（可讀/可寫）以及傳輸的實時性進行定義。

5 協議及數據開放標準化助力產業發展

目前，開展工業機器人二次集成開發應用的企業所面臨的問題就是所需集成的部件由不同廠家提供，在集成過程中，需要根據不同部件產品的軟件進行復雜的二次開發，才能與工業機器人進行通信互聯，同時在應用過程中，如果需要更換部件產品，則又需要重新進行開發，無形中增加了人力、時間成本，降低了集成應用效率。如果能在應用層等互聯層建立標準化的通用通信協議，則在滿足硬件機械接口的前提下，可以實時進行集成部件的互換及通信互聯，降低應用過程中的人力及時間成本，大幅提高集成應用的效率及效益。

我國工業機器人的本體市場一直由多個國外品牌所主導，企業在做二次集成開發時無法獲得所需要的工業機器人本體數據參數、接口函數等信息，導致在運動控制精度、安全特性、功能實現等方面的應用、擴展、維護時間和成本代價高昂，而我國的二次集成開發市場巨大，在這種情況下，如果能夠通過對工業機器人柔性控制所需采集數據信息的確定，建立數據開放、控制軟件系統接口函數開放、伺服驅動軟件系統接口開放的規則，符合規則要求的工業機器人才能在未來定義為符合“柔性控制技術”特性，從而在“柔性控制”特性應用場景下更快更好地推動集成開發應用，突破長久以來國外工業機器人品牌對我國市場的主導局面。

由此可見，未來如果能更多地通過協議的標準化促進集成開發應用中的互聯互通，更多地通過數據開放的標準化獲取工業機器人特性信息，我國工業機器人和集成開發產業才能夠逐步擺脫受限于人的狀況，搶占國內外市場以及全球工業機器人和集成開發產業價值鏈的更高端。

參考文獻

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