一、當前研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

隨著我國制造業(yè)市場的全球化，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，對工業(yè)機器人的性能提出更高的要求。目前，國內(nèi)現(xiàn)有機器人控制系統(tǒng)存在很多問題，比如：局限于專業(yè)的計算機、專業(yè)的機器人語言，開放性差，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進；軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，致使軟件獨立性差，難以應(yīng)用在不同的系統(tǒng)；由于并行計算機中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點，容錯性差，其中一個處理器出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓；由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展；現(xiàn)在所有機器人控制系統(tǒng)都沒有網(wǎng)絡(luò)功能。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)自動化的要求，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器人控制系統(tǒng)”是當前機器人控制系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。新型工業(yè)機器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：

1. 采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要移植到不同的系統(tǒng)；

2. 功能的模塊化設(shè)計，不同的任務(wù)由不同的功能模塊實現(xiàn)；

3. 滿足實時性、多任務(wù)的要求；

4. 具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能，以便于多臺機器人協(xié)同工作；

5. 直觀便捷的人機交互。

   二、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

隨著未來智能化的程度越來越高，各機器人本體制造商之間的差異化也將越來越顯著，這種差異化最主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的差異上。與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)相比，本控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1. 本系統(tǒng)具有國內(nèi)首創(chuàng)的6軸以上復(fù)雜的機器人控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)多臺機器人協(xié)同工作。本套算法是將兩臺以上的機器人的所有運動軸當作一個整體，統(tǒng)一解算，同一控制，真正實現(xiàn)多臺機器人在動作上時間與空間的一致性，完美實現(xiàn)多臺機器人協(xié)同工作，這與現(xiàn)下兩臺機器人分別由兩套系統(tǒng)控制的協(xié)同工作有著本質(zhì)的區(qū)別。

2. 本系統(tǒng)采用的基于EtherCat或RTEX等實時高速總線的運動控制器，能夠?qū)?軸以上、32軸以下的機器人進行實時復(fù)雜的運動控制和采集機器人的所有數(shù)據(jù)信息。

3. 根據(jù)機器人運動反饋的數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)利用OpenGL技術(shù)，實現(xiàn)了機器人的3D運動仿真。3D運動仿真功能的引入，使得操作員更加方便地進行離線編程和運動程序的調(diào)試，實現(xiàn)了直觀、便捷、友好、美觀的人機交互。

4. 本系統(tǒng)通過高速EtherCat/RTEX總線，以及EtherNet網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，實時反饋機器人運動數(shù)據(jù)、環(huán)境信息，在機器人控制系統(tǒng)中建立仿真的虛擬世界，操作者通過VR設(shè)備和可穿戴式操作設(shè)備進行操作，使3D仿真與機器人實體同步。

5. 本系統(tǒng)配套我們自主研發(fā)的可穿戴式操作設(shè)備，能夠采集人體手臂動作的信息數(shù)據(jù)，通過機器人控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為機器人的控制數(shù)據(jù)，使得人與機器人的動作同步。

6. 本系統(tǒng)具有一套適合機器人運動控制的編程語言，能夠可視化、圖形化、智能化的離線編程，使得機器人的控制更加方便、靈活，有利于用戶在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

   三、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的功能詳解

   機器人控制系統(tǒng)的基本功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動機械臂中的各臺電動機完成動作。下面將介紹本套工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的功能：

   1.同步仿真

   機器人控制系統(tǒng)的人機交互主界面具有與機器人本體型號一致的3D模型，如下圖所示。

無論是在手動示教控制機器人運動，還是執(zhí)行自動運動程序，3D模型都會實時仿真運動，與機器人本機保持一致的運動軌跡。3D模型同步運動仿真能夠讓操作員更直觀的觀察到機器人的運動軌跡，在規(guī)劃機器人運動軌跡更加提高工作效率，優(yōu)化軌跡程序。

同步運動仿真視圖的視角可以通過操作視圖調(diào)整按鈕，進行模型視角左調(diào)/右調(diào)/上調(diào)/下調(diào)/回到默認位置等調(diào)整。視圖調(diào)整按鈕如下圖所示。此外，機器人控制系統(tǒng)還支持視圖拉動，比如：按下鼠標左鍵拉動模型，同步仿真3D視圖控制視角360°旋轉(zhuǎn)；在模型視圖下滑動鼠標滾輪，同步仿真3D視圖控制視角放大或縮小-。視圖調(diào)整功能實現(xiàn)了從不同角度觀察機器人的運動軌跡，能夠使得操作員及時做出判斷，進行示教校準。

2.示教控制

在機器人控制系統(tǒng)中選擇示教模式，通過操作按鈕對機器人進行運動控制和采集目標點的位置信息。示教模式啟動按鈕位置控制系統(tǒng)主界面的右上角，進入示教模式后，示教圖標會顯示為紅色。

示教控制模式下，控制系統(tǒng)擁有三種操作方式：基座坐標系、工具坐標系和關(guān)節(jié)控制。這三種模式可通過示教圖標下的圖標進行切換。

基座坐標系操作方式是根據(jù)基座三維定位關(guān)系，對應(yīng)大地坐標、參照物坐標系進行定位。此模式下，可通過系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機器人按照基座坐標系進行運動。

工具坐標系操作方式是根據(jù)工具三維定位關(guān)系，對應(yīng)基座、參照物坐標系進行定位。此模式下，可通過系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機器人按照工具坐標系進行運動。

關(guān)節(jié)控制操作方式是手動操作機器人的單關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，方便設(shè)定原點校準和設(shè)定安全工作點。此模式下，可通過系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機器人相對應(yīng)的關(guān)節(jié)進行旋轉(zhuǎn)運動。此外，在關(guān)節(jié)控制模式下，點擊附加軸模式圖標（位于關(guān)節(jié)控制圖標下）設(shè)置（A）圖標,可切換到附加軸模式（F），即可對附加軸進行關(guān)節(jié)控制。

在示教模式下的三種操作方式的控制過程中，可根據(jù)實際需要，對工作精度（系統(tǒng)驅(qū)動連接的機器人工作精度，分為5個等級）、速度檔位（系統(tǒng)驅(qū)動連接的機器人工作速度檔位開關(guān)，分為1-5檔）等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

1. 指令編程與軌跡錄制

   本機器人控制系統(tǒng)的編程方式有兩種：指令編程和錄制運動軌跡。

   本系統(tǒng)的編程語言簡單易懂，具有一系列的控制指令，比如：點到點（PTP）、直線（LINE）、三點圓?。?P-ARC）、三點圓（3P-CIRCULE）、半徑圓弧（R-ARC）、曲線（CURVE）、延時（DELY）、跳轉(zhuǎn)（JUMP）、循環(huán)（LOOP）、子程序（SUB）等。故在使用指令編輯程序時，只需采集目標軌跡若干點的位置參數(shù)，然后選擇相應(yīng)的運動指令，填寫參數(shù)即可完成運動程序的編程。

   下面，舉一個指令編程的例子：

   

錄制軌跡功能則是可以在示教模式下，記錄機器人移動的每個點的位置數(shù)據(jù)，在程序里生成所運動的指令代碼，實現(xiàn)快速編程，提高編程效率和機器人運動的準確率。

此外，本系統(tǒng)還支持單步指令運行。單步運行的操作方式有兩種：

1. 在主界面調(diào)試軌跡程序時，可通過單步運行（上一步/下一步）按鈕控制機器人執(zhí)行指令。

2.在編程子頁面——MDI指令中，輸入目標點的位置參數(shù)，確定執(zhí)行，即可控制機器人運動到目標點。

本系統(tǒng)的編程操作亦支持子程序管理。操作員可將常用的運動軌跡保存為子程序，即可在子程序管理頁面進行操作。如需調(diào)用子程序，在編輯程序時，添加子程序（SUB）指令，設(shè)置子程序ID，即可成功調(diào)用。

本系統(tǒng)的編程語言簡單友好，容易掌握，大大降低了操作者學(xué)習(xí)機器人運動編程的難度。在實際編程中，操作員可將指令編程和錄制軌跡結(jié)合起來一起使用，如此可減少編程的時間，提高工作效率。操作員在調(diào)試程序時，可使用單步運行功能，提高優(yōu)化程序的效率。操作員可將通用的、使用次數(shù)多的運動軌跡保存為子程序，如此可避免重復(fù)勞動。

4.離線編程與調(diào)試

離線狀態(tài)：機器人控制系統(tǒng)未連接或者未使能伺服驅(qū)動器的狀態(tài)。

在離線狀態(tài)下，操作員可進入示教模式，控制機器人的3D模型運動，采集目標點數(shù)據(jù)，編寫運動程序。程序編寫完成后，亦可進行運動仿真，根據(jù)機器人3D模型運動情況，調(diào)試和優(yōu)化運動程序。離線狀態(tài)下的編程和調(diào)試與已使能伺服驅(qū)動器狀態(tài)下的編程和調(diào)試相比較，操作步驟基本一致，只是少了連接伺服驅(qū)動器這一步驟。

本系統(tǒng)的離線編程與調(diào)試功能，能讓操作員未連接機器人本體的狀態(tài)下進行編輯程序和優(yōu)化程序，避免操作員在實體操作調(diào)試出現(xiàn)誤操作，影響機器人整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和威脅到操作員的人身安全。

5.擺振功能

擺振是指機器人工具點形成的振幅動作，通過設(shè)定擺幅、點數(shù)和方向等參數(shù)生成相應(yīng)的擺振曲線。

在實際工業(yè)應(yīng)用中，例如自動焊接的場景，常需要機器人在焊接的路徑中加入擺動地運動的指令。在本系統(tǒng)中，只需要設(shè)定擺幅、點數(shù)和方向等參數(shù)生成相應(yīng)的擺振曲線嗎，然后在添加指令時設(shè)置預(yù)先保存好的擺振ID，即是實現(xiàn)機器人在走運動軌跡過程中出現(xiàn)擺動運動，滿是自動焊接的需要。

6.參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)可設(shè)置基本參數(shù)、機構(gòu)參數(shù)、機電參數(shù)、IO設(shè)置、寄存器設(shè)置、AD/DA設(shè)置、工具管理、工具點標定、通訊參數(shù)等，能夠全方位的調(diào)節(jié)機器人運動參數(shù)。本系統(tǒng)需要配置的參數(shù)看起來很多，但很多參數(shù)都是默認配置好了的，實際使用時，不需要配置太多的參數(shù)，會控制機器運動、編寫機器人運動程序即可。

7.手持控制器

本機器人控制系統(tǒng)配備手持控制器，手持控制同樣具備示教控制、離線編程與調(diào)試、3D模型運動仿真、參數(shù)修改等功能。

手持控制器的基本操作邏輯與機器人控制系統(tǒng)軟件的操作邏輯基本一致，會使用機器人控制系統(tǒng)軟件，就會使用手持控制器去控制機器人運動、編輯運動程序、調(diào)試程序等功能，不必要再去學(xué)習(xí)一次如何使用手持控制器，大大減少了學(xué)習(xí)本套機器人控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時間成本。