工业机器人运动控制分析与研究

牟海荣

摘要

作为工业机器人不可或缺的关键组成部分，控制系统对于机器人技术的发展在很大程度上起到了制约作用。本文首先概括与总结了机器人控制系统相关的研究成果，重点对控制系统的结构特点、开放性的软件以及开放式的硬件实现方式较为详细地进行了阐述。接着对于多机器人协同控制应用现状进行总结，最后提出了其在该领域将来的发展趋势。

【关键词】机器人 控制系统 协同控制

在制造业发展过程当中，工业机器人扮演着非常重要的角色。在当前背景下，工业机器人对生成需求日益提升。一方面，工业机器人要求具备更加理想的柔性以及开放性，另一方面还要求其具备与工业生产不同设备之间的兼容性，使工业机器人能够与不同生产设备形成一套综合的控制系统。当前工业机器人技术最前沿的科研成果与物理学科息息相关。当前对于我国科研机构而言，工业机器人开放式控制系统的研究已经成为非常关键、非常重要的科研课题。

不论是运动学，还是动力学都和工业机器人控制系统具有非常密切的关联。工业机器人在低速平稳运行当中，工业机器人惯性力离心力都是非常微弱的，可以忽略不计。在这种情况下，摩擦力、重力是影响工业机器人稳定性以及动态性的主要因素。这就充分显示出工业机器人控制系统和物理学具有非常紧密的关联。所以本文从物理学角度对于工业机器人控制系统从以下几个方面展开论述分析。

1 工业机器人控制系统相关概述

1.1 工业机器人控制系统

机器人是工业机器人控制系统的核心和灵魂所在。机器人主要由四大部分组成，第一部分为机器人本体，第二部分是控制系统，第三部分是驱动，最后一部分为传感器。因此，从总体上来看，硬件部分以及软件部分共同组成了工业机器人的控制系统。对工业机器人控制系统在指令传感器的基础上进行控制，进而使机器人完成相应动作或者任务。工业机器人控制系统主要由三部分组成，第一部分是主控单元，第二部分是执行机构，最后一部分是检测单元。

在以上三个部分当中，作为整个控制系统核心和关键的主控单元，对机器人进行运动学计算、进行运动规划以及插补计算是其主要的功能。通过以上流程，主控单元将运动控制指令向执行机构进行传输，在很大程度上控制系统开放性制约着机器人的开放性。这是因为工业机器人所有动作指令的发出者均为控制系统。

1.2 开放式控制系统

在研究领域，还没有一个针对工业机器人控制系统开放性的权威公认的定义。对于开放性，IEEE曾经做出过这样的定义表述，在不同平台之间，系统在应用的时候能够自由的进行移植，而且能够与其它系统实现相互交互，为用户提供的交互方式是一致的。对于开放性系统，库卡机器人集团创始人也曾经进行过定义。开放性系统，计算机和操作系统运行环境是商业化的标准，同时计算机和操作系统硬件以及软件接口具有开放性，而且计算机与操作系统的控制器也应当具备开放式的结构，呈现出标准化模块化的特征。也就是说，用户在使用过程当中，对机器人仅需通过简单的指令就能够进行操作。与此同时在工序发生变化的情况下，对于系统也能够以最小的代价最短的时间进行修改，通过这种修改，能够对新的需求予以满足。

在与机器人有关的相关研究课题当中，控制系统一直以来是一个非常热门的研究课题。近年来，对于机器人的研究主要聚焦于其自身技术以及功能。随着在工业生产过程当中，机器人应用广泛性不断增强，对于工业生产系统而言，机器人已经成为了一个非常重要的标准部件，将生产线上的各种设备的控制系统通过互联网或者工业总线进行有效的连接。对于现在生产装备而言，形成一个具有综合性全面性的控制系统，成为了一种重要的发展趋势。这对于整个控制系统信息数据的流通传递共享起到了显着的加速作用。但是，现代工业生产过程当中，由不同厂家的设备组成生产设备，当前要将大部分設备综合在一起，形成一个综合全面的自动化，系统存在着比较大的困难。因此，在当前的工业生产过程当中，设备的开放性是一个备受关注的话题。除了受自身技术发展影响之外，工业机器人控制系统的开放性等其他影响因素的制约。整体上来看，主要有两个因素会影响到其开放性。第一，开放的自动化设备。控制器在工业生产系统当中，会给用户生产者诸多好处，包括可扩展、可联网、可移植等等。此外，控制系统开放程度增强的可行性随着当前计算机互联网技术商品化水平的提升而不断增强。

迄今为止，针对何谓机器人控制系统的开放性还没有形成一个明确的具有权威性统一性的定义。整体上来看，开放式主要体现在可扩展性、互操作性、可移植性可增减性三个方面。可扩展性指的就是第三方设备生产者能够增加硬件设备和软件设备，使得功能得到扩充。互操作性的就是控制器的核心部分，能够与外界的一个计算机或者多个计算机进行信息的交换。可移植性则指的是在不同的环境下，机器人的应用软件能够相互之间进行移植。可增减性则指的是在实际需求的基础上，机器人系统的性能以及功能能够非常便捷化的进行增减。如果要实现上述特性、要求，计算机控制系统的硬件应当是标准化的体系结构应当具有开放性界面。

1.3 控制系统的开放性概述

当前在国际上，开放式控制系统是重要的发展趋势，特别是在发达国家在工业机器人开放式控制系统领域，展开了非常激烈的竞争。GNGC研究计划之后，美国为了推出模块化控制系统，又制定了OMAC开发计划，希望通过该计划的实行来提升本国的自动化装备水平。欧盟对控制系统的开放性要求进一步增强，也在积极推行OSICA计划。在该领域，日本也正在积极部署，日本的很多装备制造业企业联合推行OSEC计划，该计划推行的主要目的是使得控制系统结构的灵活性进一步增强。

日本的科研机构在整个自动化领域之内，根据自身的研究成果，与美国欧洲等国家在该领域的相应科研机构进行广泛的交流。在相应设计标准上达成一致。

在应用方面，工业机器人涉及的领域是非常广泛的。因此，要使相应的标准完全统一的困难是非常大的。然而，部分统一标准在特定应用领域是可行的，而且是非常有帮助的。例如，在半导体工业自动化制造设备领域，已经有了标准化交互界面，该交互界面由上层监控系统与机器生产者用户，以及上层仿真软件商品进行交互信息的共享。现阶段，在市场当中，开放性水平已经成为了商品化工业机器人获得市场竞争力的关键要素。