（身份证：3709821986****1613，山东 青岛；身份证：3709821987****1831山东 青岛）
摘要：随着机器人在工业中的广泛普及和应用，工业机器人对推动工业行业的发展与生产有着积极作用。控制系统作为其中最重要的组成部分，它主要是对机器人的生产操作进行控制；而开放体系结构在其中的应用则能进一步提高工业机器人的智能化水平。但由于该控制系统的开放体系结构较为复杂，且设计难度高；因此本文将针对工业机器人控制系统的开放体系结构展开探讨与分析。
关键词：工业机器人；控制系统；开放体系结构
自中国战略2025计划自提出以来[1]，诸多传统制造业所面临的是产业改造与升级，对制造业的需求也愈加迫切；而工业机器人作为制造业中不可缺少的部分，同样面临着不断增高的生产要求。控制系统作为工业机器人运作过程中的主导系统，要实现其智能化水平的提高，就需要确保工业机器人具备更大的开放性，从而促使控制系统结构更加灵活，保障其能够适应当前发展需求。随着工业机器人控制系统的开放水平逐渐成为影响市场竞争力的关键因素之一，进一步掌握其结构设计、程序操作对推动工业机器人的广泛应用有着积极意义。
一、工业机器人控制系统概论
1.1机器人控制系统概述
工业机器人主要是由机器人本体、伺服驱动、控制系统及其周围部分传感器所组成，而控制系统作为机器人中的核心部分，它则是由一组硬件与软件所构成，通过不同指令、传感信息等控制机器人进行一定的动作或任务操作。工业机器人的控制系统则主要以主控单元（人机交互界面-运动规划、I/O输出、多轴运动控制器）、执行机构（伺服单元-机器人本体-工序）和检测单元（机器人内部传感器、机器人外部传感器）三个部分所组成；主控单元作为整个控制系统的最核心部位，它所负责的是对机器人运动学进行计算及其运动规划等，从而将操作用户的控制指令传至执行机构。也正是工业机器人所有运动轨迹均由控制系统所进行，因而要实现控制系统的开放性则主要取决于机器人的开放性。
1.2开放式机器人控制系统
当前，在对于工业机器人控制系统的开放性上依然没有作出一种严格定义，而根据IEEE对控制系统开放性的定义中可得，要确保控制系统的开放性首先要满足系统应用能够在不同平台间进行移植，进而实现和其它应用系统之间的交互性，这样才能确保为用户提供更加一致的交互方式；另一方面，对于运行在商业化标准的计算机、操作系统中，同样要求其具备开放性的硬件和软件接口，即为开放式系统。而针对开放式的控制系统而言，则需要它具备接口标准化与更加模块化的开放体系结构；在用户操作过程中，即使不需对机器人的内部结构充分了解，也能通过简单的操作知识进行控制。当工序出现变化时，可以在短时间内对系统进行修改，使其能够满足新的程序应用。
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二、控制系统的开放体系硬件结构
在工业机器人控制系统的开放体系硬件结构中，主要采用模块化设计方式与开放式结构，其中基本系统皆采用I/O总线实现对功能的增减，而扩展系统则用现场总线的方式实现对控制功能的进一步扩充。在以CPU计算机结构为控制系统中，通常分为主计算机、手控盒、上位机，其中主计算机与手控盒主要是通过串口来实现异步通讯，而主计算机与上位机则是以串口、CAN实现通讯[2]。主计算机主要是实现工业机器人的运动轨迹规划、位置伺服、插补计算与主控逻辑、数字I/O功能的应用，手控盒则需要完成对控制过程中的在线示教、显示显示、指令输入等功能；而上位机则要实现对机器人生产线管理与监控、离线编程等功能应用。另一方面，在模块化的设计上，要根据用户需求来配置不同轴数的机器人系统，其中主计算机可以应用嵌入式微型计算机，从而进一步实现在缩小控制系统体积的同时保障其可靠性；而嵌入式的结构也是未来智能化机器控制系统的主要发展方向。嵌入式的芯片能够实现对标准脉冲接口的交流位置伺服单元及其交流电机的控制，且能经D/A输出对交流伺服电机进行控制；这一模块化的控制系统能够实现同时对6路交流伺服电机的控制，同时能够不断优化控制参数，进而实现对数字位置伺服模块数量的增减，最终达到控制不同工业机器人运动轴数的目的。
三、控制系统的开放体系软件系统结构与功能
工业机器人控制系统的开放体系结构中对软件架构的探讨，主要是将“PC+运动控制卡”硬件平台和在运动控制场合的机器人控制系统作为基础；在工业机器人控制系统软件体系中主要有回零、手动控制、编程（DXF图形编程、G代码编程、示教编程）、自动运行（运动学分析、轨迹规划）、运动仿真、参数设置、状态监测。开放式的控制软件体系通常运行在工控机上的Windows或是Linux环境中，其运动控制与逻辑运算一般皆是由软件自身内核所完成，其硬件部分只负责伺服数据及其I/O信号传输工作，因此要实现开放式软件体系，可以采用分层与模块化的结构建设开放性的控制系统软件体系，通过具备高性能伺服网络构建通讯平台，确保在此开放性的架构上能够实现多个机器人伺服，并对多个工业机器人进行控制。在整个软件体系中可应用VRTX实时多任务操作系统进行，VRTX作为一种基于优先级的，且具备确定性、抢占式特点的操作系统，它主要是根据公立来进行分层，每一层所使用的是下一层为其提供的功能；其中最底层为系统硬件所构成，紧接着则是操作系统功能所构成的中间层，最上层则是应用程序，而这每一层都会为上一层定义一个虚拟机[3]，控制系统的软件体系中则依照层次来进行模块划分。
四、结语
综上所述，工业机器人作为工业行业中不可缺少的一部分，无论是从工业领域的自身发展还是机器人技术发展方面，这都要求控制系统实现开放性才是未来发展的必然性。因此只有将计算机与新信息技术相互结合，进一步提高工业机器人控制系统的开放程度，对其开放体系结构深入探讨和分析，从而提高控制系统开放体系的实时性与兼容性，推动工业行业的发展和进步。
参考文献
[1]陈佳彬. 工业机器人控制系统的开放体系结构研究[J]. 机械工业标准化与质量, 2016(7):35-38.
[2]吕冬冬, 郑松, LyuDongdong,等. 工业机器人开放式控制系统研究综述[J]. 电气自动化, 2017(1):88-91.
[3]杨帆, 张铮, 夏添. 四自由度SCARA机器人控制系统研究[J]. 湖北工业大学学报, 2016, 31(1):34-37.
论文作者:郭永 宁波
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年3月下
论文发表时间:2018/9/11
标签：机器人论文; 控制系统论文; 工业论文; 开放性论文; 体系结构论文; 体系论文; 开放式论文; 《新材料.新装饰》2018年3月下论文;