一、當(dāng)前研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)制造業(yè)市場(chǎng)的全球化，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能提出更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)器人控制系統(tǒng)存在很多問(wèn)題，比如：局限于專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)、專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人語(yǔ)言，開(kāi)放性差，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)；軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴(lài)于處理器硬件，致使軟件獨(dú)立性差，難以應(yīng)用在不同的系統(tǒng)；由于并行計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，容錯(cuò)性差，其中一個(gè)處理器出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓；由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展；現(xiàn)在所有機(jī)器人控制系統(tǒng)都沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)”是當(dāng)前機(jī)器人控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。新型工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1. 采用開(kāi)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(jì)，不同的任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)；

3. 滿足實(shí)時(shí)性、多任務(wù)的要求；

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

5. 直觀便捷的人機(jī)交互。

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

隨著未來(lái)智能化的程度越來(lái)越高，各機(jī)器人本體制造商之間的差異化也將越來(lái)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(jī)器人控制系統(tǒng)相比，本控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 本系統(tǒng)具有國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的6軸以上復(fù)雜的機(jī)器人控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作。本套算法是將兩臺(tái)以上的機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)軸當(dāng)作一個(gè)整體，統(tǒng)一解算，同一控制，真正實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人在動(dòng)作上時(shí)間與空間的一致性，完美實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作，這與現(xiàn)下兩臺(tái)機(jī)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(shí)時(shí)高速總線的運(yùn)動(dòng)控制器，能夠?qū)?軸以上、32軸以下的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制和采集機(jī)器人的所有數(shù)據(jù)信息。

3. 根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反饋的數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)利用OpenGL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的3D運(yùn)動(dòng)仿真。3D運(yùn)動(dòng)仿真功能的引入，使得操作員更加方便地進(jìn)行離線編程和運(yùn)動(dòng)程序的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了直觀、便捷、友好、美觀的人機(jī)交互。

4. 本系統(tǒng)通過(guò)高速EtherCat/RTEX總線，以及EtherNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)反饋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、環(huán)境信息，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中建立仿真的虛擬世界，操作者通過(guò)VR設(shè)備和可穿戴式操作設(shè)備進(jìn)行操作，使3D仿真與機(jī)器人實(shí)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(dòng)作的信息數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的控制數(shù)據(jù)，使得人與機(jī)器人的動(dòng)作同步。

6. 本系統(tǒng)具有一套適合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的編程語(yǔ)言，能夠可視化、圖形化、智能化的離線編程，使得機(jī)器人的控制更加方便、靈活，有利于用戶(hù)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

   三、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能詳解

   機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能是接收來(lái)自傳感器的檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)完成動(dòng)作。下面將介紹本套工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能：

   1.同步仿真

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

無(wú)論是在手動(dòng)示教控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，還是執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)動(dòng)程序，3D模型都會(huì)實(shí)時(shí)仿真運(yùn)動(dòng)，與機(jī)器人本機(jī)保持一致的運(yùn)動(dòng)軌跡。3D模型同步運(yùn)動(dòng)仿真能夠讓操作員更直觀的觀察到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，在規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡更加提高工作效率，優(yōu)化軌跡程序。

同步運(yùn)動(dòng)仿真視圖的視角可以通過(guò)操作視圖調(diào)整按鈕，進(jìn)行模型視角左調(diào)/右調(diào)/上調(diào)/下調(diào)/回到默認(rèn)位置等調(diào)整。視圖調(diào)整按鈕如下圖所示。此外，機(jī)器人控制系統(tǒng)還支持視圖拉動(dòng)，比如：按下鼠標(biāo)左鍵拉動(dòng)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(dòng)鼠標(biāo)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(shí)現(xiàn)了從不同角度觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠使得操作員及時(shí)做出判斷，進(jìn)行示教校準(zhǔn)。

2.示教控制

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中選擇示教模式，通過(guò)操作按鈕對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和采集目標(biāo)點(diǎn)的位置信息。示教模式啟動(dòng)按鈕位置控制系統(tǒng)主界面的右上角，進(jìn)入示教模式后，示教圖標(biāo)會(huì)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(biāo)系、工具坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)控制。這三種模式可通過(guò)示教圖標(biāo)下的圖標(biāo)進(jìn)行切換。

基座坐標(biāo)系操作方式是根據(jù)基座三維定位關(guān)系，對(duì)應(yīng)大地坐標(biāo)、參照物坐標(biāo)系進(jìn)行定位。此模式下，可通過(guò)系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機(jī)器人按照基座坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

工具坐標(biāo)系操作方式是根據(jù)工具三維定位關(guān)系，對(duì)應(yīng)基座、參照物坐標(biāo)系進(jìn)行定位。此模式下，可通過(guò)系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機(jī)器人按照工具坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

關(guān)節(jié)控制操作方式是手動(dòng)操作機(jī)器人的單關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方便設(shè)定原點(diǎn)校準(zhǔn)和設(shè)定安全工作點(diǎn)。此模式下，可通過(guò)系統(tǒng)主界面下方左右兩邊的方向按鈕控制機(jī)器人相對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此外，在關(guān)節(jié)控制模式下，點(diǎn)擊附加軸模式圖標(biāo)（位于關(guān)節(jié)控制圖標(biāo)下）設(shè)置（A）圖標(biāo),可切換到附加軸模式（F），即可對(duì)附加軸進(jìn)行關(guān)節(jié)控制。

在示教模式下的三種操作方式的控制過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)工作精度（系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)連接的機(jī)器人工作精度，分為5個(gè)等級(jí)）、速度檔位（系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)連接的機(jī)器人工作速度檔位開(kāi)關(guān)，分為1-5檔）等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1. 指令編程與軌跡錄制

   本機(jī)器人控制系統(tǒng)的編程方式有兩種：指令編程和錄制運(yùn)動(dòng)軌跡。

   本系統(tǒng)的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易懂，具有一系列的控制指令，比如：點(diǎn)到點(diǎn)（PTP）、直線（LINE）、三點(diǎn)圓弧（3P-ARC）、三點(diǎn)圓（3P-CIRCULE）、半徑圓弧（R-ARC）、曲線（CURVE）、延時(shí)（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(shí)，只需采集目標(biāo)軌跡若干點(diǎn)的位置參數(shù)，然后選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，填寫(xiě)參數(shù)即可完成運(yùn)動(dòng)程序的編程。

   下面，舉一個(gè)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(jī)器人移動(dòng)的每個(gè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，在程序里生成所運(yùn)動(dòng)的指令代碼，實(shí)現(xiàn)快速編程，提高編程效率和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率。

此外，本系統(tǒng)還支持單步指令運(yùn)行。單步運(yùn)行的操作方式有兩種：

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

2.在編程子頁(yè)面——MDI指令中，輸入目標(biāo)點(diǎn)的位置參數(shù)，確定執(zhí)行，即可控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。

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(yùn)動(dòng)軌跡保存為子程序，即可在子程序管理頁(yè)面進(jìn)行操作。如需調(diào)用子程序，在編輯程序時(shí)，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(yǔ)言簡(jiǎn)單友好，容易掌握，大大降低了操作者學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)編程的難度。在實(shí)際編程中，操作員可將指令編程和錄制軌跡結(jié)合起來(lái)一起使用，如此可減少編程的時(shí)間，提高工作效率。操作員在調(diào)試程序時(shí)，可使用單步運(yùn)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(yùn)動(dòng)軌跡保存為子程序，如此可避免重復(fù)勞動(dòng)。

4.離線編程與調(diào)試

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

在離線狀態(tài)下，操作員可進(jìn)入示教模式，控制機(jī)器人的3D模型運(yùn)動(dòng)，采集目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)程序。程序編寫(xiě)完成后，亦可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，根據(jù)機(jī)器人3D模型運(yùn)動(dòng)情況，調(diào)試和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)程序。離線狀態(tài)下的編程和調(diào)試與已使能伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)器人本體的狀態(tài)下進(jìn)行編輯程序和優(yōu)化程序，避免操作員在實(shí)體操作調(diào)試出現(xiàn)誤操作，影響機(jī)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(jī)器人工具點(diǎn)形成的振幅動(dòng)作，通過(guò)設(shè)定擺幅、點(diǎn)數(shù)和方向等參數(shù)生成相應(yīng)的擺振曲線。

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，例如自動(dòng)焊接的場(chǎng)景，常需要機(jī)器人在焊接的路徑中加入擺動(dòng)地運(yùn)動(dòng)的指令。在本系統(tǒng)中，只需要設(shè)定擺幅、點(diǎn)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(shí)設(shè)置預(yù)先保存好的擺振ID，即是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在走運(yùn)動(dòng)軌跡過(guò)程中出現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滿是自動(dòng)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(jī)構(gòu)參數(shù)、機(jī)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(diǎn)標(biāo)定、通訊參數(shù)等，能夠全方位的調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本系統(tǒng)需要配置的參數(shù)看起來(lái)很多，但很多參數(shù)都是默認(rèn)配置好了的，實(shí)際使用時(shí)，不需要配置太多的參數(shù)，會(huì)控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)、編寫(xiě)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序即可。

7.手持控制器

本機(jī)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(yùn)動(dòng)仿真、參數(shù)修改等功能。

手持控制器的基本操作邏輯與機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的操作邏輯基本一致，會(huì)使用機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件，就會(huì)使用手持控制器去控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、編輯運(yùn)動(dòng)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(jī)器人控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時(shí)間成本。