关林林

摘 要：工业机器人是工业化体系高度发展的产物，是制造业由劳动密集型向技术密集型升级的重要标志和动力，如今，工业机器人已经由程序化逐步向智能化转变，其控制系统的结构研究已成为业内高度关注的课题。本文阐述了工业机器人控制系统的软件构架及基本功能，针对图形编程展开了详细的研究和分析，并给出智能化机器人仿真系统的设计方案与发展展望，旨在为工业机器人结构体系发展提供技术参考，推动人机协调与智能体系的发展和进步。

关键词：工业机器人；控制系统；开放体系；结构研究

自工业革命以来，人类社会的生产数据已经达到了指数级的增长，随着工业化程度不断加深，传统劳动密集型产业不再作为制造业的主体和象征，制造业作为人类社会发展进步的命脉，正逐渐向技术和资本密集型升级和转移，其中工业机器人作为程序化生产的主力，在汽车制造、建筑工程、化工行业、食品加工业等领域得到广泛应用。随着科技的进步与发展，工业机器人也由程序化人工控制向信息化、智能化发展，为保持技术先进性和经济效益，做好工业机器人的智能化控制研究至关重要。

一、工业机器人控制系统原理

工业机器人不仅由机械主体构成，还包括控制系统、驱动系统、传感器等一系列配套设備，事实上，机器人的控制系统是其整体科技含量最高的部分，甚至比机械本体还要重要，操作人员通过输入指令来控制机器人的动作和执行任务。控制系统由主控、执行、检测三个部分构成，主控部分负责对机器人整体动作结构和指令规划进行设计和计算，是控制系统的核心部分，系统执行的所有控制指令和大部分的计算都由该部分执行，而控制系统的开放性在一定程度上也决定了工业机器人整体的开放性，是本文研究的重点内容。

二、工业机器人控制系统的开放体系结构

业界对于机器人控制系统的开放性还没有形成统一的标准，在德国提出的“工业4.0”战略标准之前，各国对工业机器人的指标都有着独立的研究体系，而IEEE（电气和电子工程师协会）也只给出了对于“开放体系”的相关定义，即保障程序和系统的交互性和兼容性，因此工业机器人的开放体系不仅要在系统上便与开发，为了保障多平台的可移植性，在硬件上也要达到规范标准，实现软硬结合和无缝对接。

（一）PC+运动控制系统。该模式是较早应用于工业机器人控制系统的管理模式，其中运动控制单元的主要功能是通过传感器进行运动模式求解和插补计算。在Linux系统中，PC端通过定式接口函数进行工业机器人的结构编程，早在上世纪90年代就有西方科学家通过调节后的运动控制器对工业机器人进行末端控制，首次实现了计算机技术和工业机器人的智能对接，尽管该技术起源较早，但因为体系较为成熟，在制造业中还是得到了广泛应用，我国清华大学和哈工大的机器人研究院已经能够初步实现自由式机械臂的高度自由化运动控制，具备开放性高、软件基础好的优势，但由于控制卡的国际标准还存在争议，成本也成为限制该技术发展的一大障碍，PC运动控制卡的开放性还具有一定的提升空间。

（二）IPC+运动控制系统。IPC+运动控制系统相对于PC+运动控制卡具有分工明确的优势，升级空间较为突出，能够适度分担PC的数据处理压力，可适用于Linux或微软WINDOWS等多项主流操作系统中，依托于Microsoft Visual C++软件开发环境，不仅具有二次开发的优势，还能够降低编程难度，即便脱离了专业编程环境依然能够进行控制算法和机器人功能性的扩展。在国际上KUKA、MINDUR等行业先驱都比较认可IPC的发展优势，并开放了以太网接口，提升了产品的信息化程度，将21世纪后的运动控制和视频采集的先进技术应用于该系统内，是当前工业机器人技术发展的主要方向。

（三）PC+以太网控制系统。随着信息技术的进步，机器人控制系统也由程序化向网络化和智能化方向发展，网络化机器人的优势在于离线控制和集中调度，且相比传统制式机器人具有更高的通讯速度和价位优势，将控制系统接入实时以太网是提升控制效率和运动扩展性的重要手段，日本的新松和东芝机器人研究部门在程序升级时将控制器预留了互联网端口，为每个机器人注册独立的IP地址，在以太网内实现对机器人的监控和集中管理。

三、基于开放式控制系统的多元化协同

开放式控制系统的实现方法是复杂的，为提升控制系统开放性与多元控制能力，多家机器人研究部门在开发时都会采用适用度较高的C/C++或PHP语言编写，其目的在于保障软件控制系统的可移植性，及离开专业开发环境后，用户仍然可以根据自身需求进行二次开发，也就是将控制系统的开发从后台转移至前台，将研发程序进行开源，并将系统应用于同一线路的多个机器人。

综上所述，工业机器人开放体系结构的发展将呈现出以下趋势：（1）软件平台发展趋向模块化，用户可对程序进行自主开发；（2）工业机器人将向智能化和实时化发展，控制系统更加开放；（3）工业机器人将接入互联网和以太网，并作为网络的载体而存在；信息化和智能化作为未来科技发展的主要方向，是可能发生的第四次工业革命的重要突破点，作为世界最大制造业大国和第二大经济体，为保证在经济和技术竞争中占据优势，做好开放体系结构研究是发展道路上的必由之路。望本文得到相关技术单位及研究人员的关注，积极推动智能工业机器人的技术创新，使其能在更多领域得到较好的应用，为制造业产业升级提供建设性意见。

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，2016，18（7）：35-38.