呂冬冬，鄭松,2

(1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2．福建省工業(yè)控制信息安全技術企業(yè)重點實驗室，福建 福州 350008)

工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)研究綜述

呂冬冬1，鄭松1,2

(1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2．福建省工業(yè)控制信息安全技術企業(yè)重點實驗室，福建 福州 350008)

控制系統(tǒng)作為工業(yè)機器人的重要組成部分在一定程度上制約著機器人技術的發(fā)展。首先對開放式機器人控制系統(tǒng)的研究進行概括與總結，重點對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的結構特點、系統(tǒng)開放性的軟硬件實現(xiàn)方法進行闡述，接著總結開放式控制系統(tǒng)在多機器人協(xié)同控制應用現(xiàn)狀，并且對控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向進行了展望。

機器人控制系統(tǒng)； 開放式控制器； 機器人硬件結構； 機器人軟件結構； 以太網； 多機器人； 協(xié)同控制

0 引 言

隨著德國工業(yè)4.0與中國戰(zhàn)略2025計劃的提出，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨產業(yè)改造升級，工業(yè)對制造業(yè)的需求變得日益迫切。工業(yè)機器人作為制造業(yè)的重要部分，需要面臨越來越高的生產需求[1-2]。制造業(yè)要求機器人具備更大的柔性與開放性，能與工業(yè)生產中不同的設備通過總線或者以太網連接到同一平臺形成一套綜合控制系統(tǒng)。然而目前不同廠家的機器人控制系統(tǒng)都僅遵循相關廠家的標準，采用封閉的控制器與編程語言，用戶難以根據需求的變化對其進行調整，因此工業(yè)機器人的開放式控制系統(tǒng)的研究成為了國內外科研機構研究的重點。

本文簡要概述機器人開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀，著重介紹幾種主流開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對控制系統(tǒng)未來發(fā)展進行了展望。

1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)概述

機器人由機器人本體、控制系統(tǒng)、伺服驅動、以及周圍的一些傳感器組成。其中控制系統(tǒng)是機器人的核心，它是由一組硬件與軟件組成，根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置。機器人控制系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示，主要由主控單元、執(zhí)行機構與檢測單元三部分組成。其中主控單元是整個系統(tǒng)的核心，主要負責對機器人進行運動學的計算、運動規(guī)劃、插補計算等，將用戶的運動控制指令傳輸到執(zhí)行機構[3]12。由于機器人的所有動作指令均由它的控制系統(tǒng)給出，因此機器人的開放性就取決于控制系統(tǒng)的開放性。

圖1 機器人控制系統(tǒng)基本結構框圖

2 開放式機器人控制系統(tǒng)

目前，機器人控制系統(tǒng)的開放性還沒有嚴格的定義，根據IEEE對“開放”的官方定義，開放系統(tǒng)應滿足系統(tǒng)的應用可以在不同的平臺之間移植，與其他應用系統(tǒng)相互交互，為用戶提供一致的交互方式[4]。庫卡機器人集團的創(chuàng)始人Lothar Rossol將開放式的系統(tǒng)定義為：運行在商業(yè)化的標準的計算機與操作系統(tǒng)上，同時具備開放的軟件與硬件接口。

對于開放式控制器，它應該具有模塊化、接口標準化的開放式結構，用戶不必深入了解機器人的內部結構，只需一些簡單的機器人知識便可操作機器人。一旦工序發(fā)生變化，可以用盡量小的代價、盡量短的時間修改系統(tǒng)，使其滿足新的應用[5]。

2.1 開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展

關于如何實現(xiàn)開放式控制系統(tǒng)，許多專家提出自己的看法。倫敦大學的K.Nilson和Rolf Johanssonb提出將控制系統(tǒng)采用分層的結構，并在此基礎上提出了開放式機器人控制器的結構[6]。

從開放式控制系統(tǒng)概念提出到目前為止，許多國家或者機構出資進行了研究，其中有三個比較有影響力的計劃：歐盟的OSACA[7](Open System Architecture for Control with Automation System)最開始是由歐洲一些研究機構與控制器廠商共同提出的，并在1996年順利完成整個標準系統(tǒng)平臺的開發(fā)；日本一些大型機械及機電制造廠商也在1994年聯(lián)合提出OSEC計劃[8]，該計劃的遠大目標是為全球的自動化公司制定一種標準；美國也在1994年提出了OMAC[9]計劃，不同于之前兩個計劃，OMAC提出的控制系統(tǒng)具有標準化的接口層，用戶可以根據自己需求制定一系列的特定功能模塊，采用“即插即用”的概念，特定功能模塊可以簡單的連接到控制系統(tǒng)。

隨著計算機的快速發(fā)展，具備平臺通用性的機器人控制軟件的研究也取得了相應的進展。在2001年，Jet Propulsion實驗室設計提出自主機器人系統(tǒng)CLARAty[10]。到了2003年，由卡內基梅隆大學開發(fā)的機器人控制軟件CARMEN[11]，使得控制算法的實驗與仿真變得更加簡單。2006提出的開源軟件項目Orca[12]，實現(xiàn)了跨平臺的開發(fā)。2007年由斯坦福大學提出開源的ROS系統(tǒng)(robot operating system)并與許多大學與公司進行合作研究，例如麻省理工學院、三星等。在2010年Willow Garage公司發(fā)布了開源機器人操作系統(tǒng)ROS，該系統(tǒng)是開源的，采用的是分布式處理架構(又稱為Nodes)，這使得可執(zhí)行文件能被單獨設計，并且在運行時松散耦合。該系統(tǒng)的優(yōu)點是不受機器人硬件的拘束，系統(tǒng)本身自帶許多機器人控制算法與指令，能適用于不同的機器人。

雖然目前還沒有一套嚴格意義上的完全開放的控制系統(tǒng)，但是此方面的研究還是取得了很大的進展。

2.2 開放式控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方法

開放式控制系統(tǒng)的硬件結構主要有兩大類：基于PC總線與基于VME(VersaModule Eurocard)總線的系統(tǒng)。PC具有成本低、具備開放性、完備的軟件開發(fā)環(huán)境與良好的通訊功能等優(yōu)勢，目前一些大機器人廠商把基于PC的機器人控制系統(tǒng)作為主要發(fā)展對象。

2.2.1 基于“PC+運動控制卡”的控制系統(tǒng)

在基于“PC+運動控制卡”的模式中，PC主要負責人機交互界面，運動控制卡負責進行運動學求解、軌跡插補計算等。該模式下，PC可以運行在Windows或者Linux系統(tǒng)中，而運動控制卡則提供了Visual C++、Qt等環(huán)境下的標準接口函數，方便用戶采用標準的軟件進行編程。

此模式開展的研究比較早，羅偉濤等[13]人結合ARM、DSP和FPGA，設計了一種機器人運動控制器，能夠實現(xiàn)對機器人可靠的運動控制。美國的Seok S, Hyun D J等[14]人利用多核CPU、FPGA和分布式處理器等現(xiàn)代并行實時計算技術的優(yōu)點，開發(fā)了一種多自由度機器人的控制系統(tǒng)平臺體系，使得機器人可以實現(xiàn)動態(tài)運動，并與環(huán)境進行快速的交互。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制出了PC+DSP+FPGA的硬件控制結構并將其運用在衛(wèi)星遙操作四自由度機械臂中[15]。

該模式的優(yōu)點是：對PC實時性要求不高、采用的軟件資源豐富、具備開放性，但是也存在對控制卡要求高的缺點，因此還需要搭配一個DSP以提高運動卡的數據處理速度。控制器的升級成本高而且運動控制卡目前還沒有統(tǒng)一的接口標準。

2.2.2 基于“IPC+運動控制卡”的控制系統(tǒng)

基于“IPC(Industrial Personal Computer)+運動卡的模式”與“基于PC加運動卡的模式”的區(qū)別在于：機器人的運動學求解，軌跡規(guī)劃與插補算法的計算等都在PC機上，減緩了運動控制卡的數據處理壓力，而且整體的硬件結構簡單，方便日后的升級。工控機能夠運行于Windows或Linux主流的操作系統(tǒng)，并且能夠在基于此操作系統(tǒng)上安裝Microsoft Visual C++、Qt等軟件開發(fā)環(huán)境，以進行具有簡單、界面友好的機器人控制軟件的開發(fā)。此模式下的工控機與運動控制卡的分工明確。

基于這種模式目前國內外高校以及科研機構研究出了相應的成果。國內的華中科技大學的潘煉東[3]154開發(fā)出了基于PC與PMAC的開放式控制系統(tǒng)。中國自動化沈陽自動化研究所開發(fā)了基于PC總線與CAN總線的SIASUN-06B機器人控制器[16]。江南大學沈躍等[17]人在SIASUN-06B機器人的基礎上采用PMAC替代了原有控制器，能夠對伺服控制的位置控制及I/O邏輯順序控制，完成對各個電機的速度環(huán)和電流環(huán)的控制。增強了系統(tǒng)的可拓展性、互操作性、可移植性與可增減性等方面的功能。文獻[18]采用PC+I/O控制板的硬件結構，在開放式操作環(huán)境RTX+Windows實現(xiàn)對并聯(lián)機器人的控制實驗，實驗結果表明系統(tǒng)具備穩(wěn)定性與可靠性。國內的廣州數控設備有限公司自主研發(fā)的六軸工業(yè)機器人采用基于RTX的控制系統(tǒng)架構[19]，實現(xiàn)了六軸工業(yè)機器的點位與軌跡控制。該體系具備開放性與可拓展性，為機器人控制算法與功能拓展提供了基礎。

許多大機器人生廠商例如KUKA也開發(fā)出了基于IPC與Windows操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。在KUKA的控制系統(tǒng)中PC通過PCI/ISA總線將運動控制指令傳輸到多功能伺服控制卡進行電機驅動。該控制系統(tǒng)的特點是具備較好的開放性與柔性，支持多種常見的總線協(xié)議如PROFIBUS、DeviceNet與以太網接口等[20]。ABB的SIMATIC WinAC采用了RTX實時拓展。WinAC具備良好的開放性，可以將邏輯控制、運動控制與視頻采集等信息集成到一臺PC機上[21]。

基于“IPC+運動卡的模式”的控制系統(tǒng)，在硬件實現(xiàn)上顯得更為簡單，整個硬件系統(tǒng)具有緊湊性，同時又不失開放性與兼容性。同時由于工控機運行于通用性的Windows操作系統(tǒng)上，因此滿足軟件的通用性。機器的軌跡規(guī)劃、直線插補改進等許多優(yōu)秀的算法可以在不同機器人上應用，促進了機器人行業(yè)的發(fā)展。目前工控機結合運動卡是工業(yè)機器人控制技術發(fā)展的重要模式。

2.2.3 基于PLC的控制系統(tǒng)

隨著PLC的快速發(fā)展，其功能指令特別是運動控制指令更加強大，并具備很強的計算能力與可靠性。目前部分高端PLC已具有支持各種運動功能命令、能實現(xiàn)高度集成操作、對各軸實現(xiàn)協(xié)調控制以及對電機的閉環(huán)控制等功能，能夠滿足工業(yè)機器人對運動控制的精度要求。這類PLC的優(yōu)勢在于采用簡單的接線避免了繁瑣的電路設計，而且可靠性高以及網絡通訊功能強大，能實現(xiàn)與其他工業(yè)設備的集成控制。東南大學的卞洪元設計完成了基于AB PLC控制器的工業(yè)機器人結構，用AB PLC ControlLogix控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對機器人的運動控制[22]。

基于PLC的控制系統(tǒng)在硬件接線方面比較簡單，而且PLC的CPU是基于循環(huán)掃描機制，具有可靠性高、適合于進行重復性工作等優(yōu)勢。PLC具有強大的聯(lián)網功能，因此能通過網絡實現(xiàn)對多機器人的監(jiān)控。許多大公司如ABB、Rockwell的PLC都能支持工業(yè)機器人的控制與管理，它們的控制器內部有運動控制功能，而且支持多種協(xié)議，因此有利于實現(xiàn)高度集成操作與電機的位置環(huán)閉環(huán)控制。目前基于PLC控制器的機器人已經在碼垛、水下作業(yè)等方面成功應用。

2.2.4 基于“通用PC+工業(yè)實時以太網”的控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)的另一個發(fā)展方向是網絡化[23]。Ken Goldberge在1994年提出基于網絡的機器人概念。工業(yè)以太網技術因具有通信速度快、網絡集成度高、價位低的優(yōu)勢，己成為未來現(xiàn)場總線的發(fā)展方向。文獻[24]提出一種基于通用PC和實時以太網技術的機器入控制系統(tǒng)如圖2所示，通過在PC上安裝德國Kithara公司的KRTS(Kithara Real Time Suite)軟件，該結構的通訊采用支持標準以太網卡的EtherMAC[25]。在這種模式下成功實現(xiàn)了SCARA與Delta并聯(lián)機械手在通過視覺的調度下實現(xiàn)流水線的物料拾取操作。在網絡控制中，一幀的數據就可以實現(xiàn)對節(jié)點內的所有伺服電機進行控制、參數在線修改與信息采集等工作，因此具有控制效率高、可拓展性強的優(yōu)點[26]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結構圖

新松機器人研發(fā)團隊針對SR6C型機器人進行了程序升級改造，制定RS485和TCP/IP兩種通訊接口，實現(xiàn)機器人實時調控功能[27]。文獻[28]采用基于C/S模型，實現(xiàn)了機器人控制器與計算機的分布式網絡。該系統(tǒng)采用IP隧道路由技術為不同型號的機器人統(tǒng)一分配IP地址，不同機器人通過以太網集成到相同的控制網絡。采用DCOM(分布式組件對象模型)技術，方便地實現(xiàn)分布式控制網絡中不同機器人之間的通信，并且在ABB S4型機器人上成功實現(xiàn)了分布式控制網絡中所有機器人的監(jiān)控。

在其他主流的工業(yè)以太網應用方面，基于SERCOS Ⅲ[29]的控制系統(tǒng)采用帶CPU的專用網卡方案，文獻[30]提出采用“嵌入式開發(fā)板+實時操作系統(tǒng)+SERCOSⅢ實時以太網”的開放式總線工業(yè)機器人控制器架構。在SERCOS Ⅲ控制網絡中，包含有主從站，主站通過通用通信模塊對各個機器人從站進行控制。文獻[31]提出了基于EtherCAT工業(yè)以太網開放式機器人控制系統(tǒng)結構，引入模塊化設計方法，組成多層控制結構。

基于網絡化的機器人系統(tǒng)，可以在不改變硬件結構的基礎上，集成異構機器人，用戶可以在統(tǒng)一的平臺上對不同機器人進行控制，能夠縮短系統(tǒng)開發(fā)的周期，有效降低開放性改造的硬件成本，此模式推動了異構機器人協(xié)同控制技術的發(fā)展。實現(xiàn)異構工業(yè)機器人集成的關鍵在于找到一個開放式結構的軟件環(huán)境。該環(huán)境需要具備：遵循通用的協(xié)議、采用具有統(tǒng)一數據結構的控制程序、具備數據采集與存儲、實時操作等功能。

2.3 開放式控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方法

針對特定應用的機器人開發(fā)一套開放式控制系統(tǒng)是非常復雜的，而開發(fā)出一套完全適合于所有機器人系統(tǒng)更加困難，但是這方面的努力一直在進行。目前很多研究機構在基于硬件開放式架構的基礎上，采用開放式純軟件控制技術。NEXUS[32]是開放式機器人軟件結構，采用標準的C/C++編寫，具有可移植性、高效性、魯棒性和高度柔性。Herman Bruyninckx[33]發(fā)起OROCOS(Open RObot COntrol Software)研究項目，開發(fā)出了適用于機器人控制的通用軟件包，可以應用于不同機器人，而且此程序是開源的，用戶可以在網站下載。Soft Servo System公司推出的SMP是一種純開放式軟件控制技術。廈門大學的趙輝等[34]基于此技術開發(fā)純軟件開放式控制系統(tǒng)實現(xiàn)對六軸工業(yè)機器人的控制。

開放式控制軟件一般運行于工控機上Windows或Linux環(huán)境下，所有的運動控制運算與邏輯運算都由軟件本身的內核完成，硬件僅僅負責伺服數據和I/O信號的傳輸。因此可以選用高性能的伺服網絡來構建伺服通訊平臺，在此開放性架構上可以方便的接入多個機器人伺服，實現(xiàn)對多機器人的控制。硬件可以根據需要進行拓展或者代替，能夠滿足異構的機器人伺服與通訊的要求。

3 基于開放式控制系統(tǒng)的多機器人協(xié)同

基于開放式軟硬件架構的多機器人協(xié)同運動控制目前也取得了一定的成果。國內方面的成果，天津大學的宋偉科等[35]采用多層等級式的控制體系結構，實現(xiàn)了多機器人的系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的實時任務調度；廖燕、金平等[36]則是對多機器人協(xié)同控制系統(tǒng)的離線編程系統(tǒng)進行了開發(fā)與研究。國外主流的機器人公司都已經推出了基于PC和實時以太網的開放式結構控制器，并且基于各自的控制器開發(fā)出了相應的多機器人協(xié)同控制系統(tǒng)。Motoman研制了雙機器人協(xié)調焊接；KUKA公司將多機器人協(xié)同控制技術在奔馳車間成功應用；ABB公司通過自己研發(fā)的IRC5控制器與Robotstudio機器人的編程與離線軌跡規(guī)劃軟件實現(xiàn)了3臺機器人精確聯(lián)動。

正是由于開放式控制系統(tǒng)對軟件與硬件的接口進行了標準化定義，因此遵循標準設計出來的第三方軟硬件可以很容易的集成到控制系統(tǒng)中，降低了對廠商的依賴性，因此企業(yè)可以根據自己的生產需求增減設備。目前多機器人在工業(yè)焊接、噴涂和零部件的裝配等工業(yè)現(xiàn)場上均得到廣泛應用。

4 結束語

本文提出目前幾種主流的開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對其特點進行分析。未來開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：

(1)致力于通用模塊化結構軟件平臺的開發(fā)，平臺應該采用國際規(guī)范標準來設計軟件接口，用戶可以在上面方便的進行二次開發(fā)，實現(xiàn)軟件可移植性；

(2)基于實時操作系統(tǒng)和高速總線的工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)；

(3)工業(yè)以太網在生產車間具有廣泛應用前景，開放式控制系統(tǒng)未來會朝著網絡化發(fā)展；

(4)致力于實現(xiàn)機器人系統(tǒng)不同功能之間的無縫連接，降低機器人系統(tǒng)集成難度，提高機器人控制系統(tǒng)軟件體系實時性與兼容性。

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A Summary of Researches on Open-architecture Control Systems for Industrial Robots

Lyu Dongdong1, Zheng Song1,2

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350116, China; 2. Fujian Key Laboratory for Industrial Control Information Security Technology Enterprises,Fuzhou Fujian 350008, China)

The development of robot technology is restricted to some extent by the control system as an important part of the industrial robot. Firstly, this paper summarizes researches on open-architecture robot control systems, focusing on structural characteristics of the industrial robot control system as well as its open software and hardware implementation methods. Then, it sums up the status of application of the open-architecture control system in multi-robot coordination control. Finally, future development direction of the control system is prospected.

robot control system；open-architecture controller； robot hardware architecture； robot software architecture；Ethernet； multi-robot；coordination control

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.026

TP24

A

1000-3886(2017)01-0088-04

呂冬冬(1991-)，男，福建廈門人，碩士生，研究領域：工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)，多機器人協(xié)調控制。 鄭松(1962-)，男，福建福州人，博士，研究員，碩士生導師，研究領域：工業(yè)機器人，先進控制算法，仿真與建模。

定稿日期: 2016-09-22