一、當前研究現狀和發展趨勢

隨著我國制造業市場的全球化，現代科學技術的飛速發展和社會的進步，對工業機器人的性能提出更高的要求。目前，國內現有機器人控制系統存在很多問題，比如：局限于專業的計算機、專業的機器人語言，開放性差，不便于對系統進行擴展和改進；軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，致使軟件獨立性差，難以應用在不同的系統；由于并行計算機中的數據相關性、通訊及同步等內在特點，容錯性差，其中一個處理器出現故障可能導致整個系統的癱瘓；由于結構的封閉性，難以根據需要對系統進行擴展；現在所有機器人控制系統都沒有網絡功能。

現有結構封閉的機器人控制系統已經不能滿足生產自動化的要求，開發“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制系統”是當前機器人控制系統的一個發展方向。新型工業機器人控制系統應具有以下特點：

1. 采用開放式軟件、硬件結構，可以根據需要移植到不同的系統；

2. 功能的模塊化設計，不同的任務由不同的功能模塊實現；

3. 滿足實時性、多任務的要求；

4. 具備網絡通訊功能，以便于多臺機器人協同工作；

5. 直觀便捷的人機交互。

   二、工業機器人控制系統的技術優勢

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在控制系統的差異上。與傳統的工業機器人控制系統相比，本控制系統具有以下優點：

1. 本系統具有國內首創的6軸以上復雜的機器人控制算法，能夠實現多臺機器人協同工作。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，統一解算，同一控制，真正實現多臺機器人在動作上時間與空間的一致性，完美實現多臺機器人協同工作，這與現下兩臺機器人分別由兩套系統控制的協同工作有著本質的區別。

2. 本系統采用的基于EtherCat或RTEX等實時高速總線的運動控制器，能夠對6軸以上、32軸以下的機器人進行實時復雜的運動控制和采集機器人的所有數據信息。

3. 根據機器人運動反饋的數據信息，本系統利用OpenGL技術，實現了機器人的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試，實現了直觀、便捷、友好、美觀的人機交互。

4. 本系統通過高速EtherCat/RTEX總線，以及EtherNet網絡進行數據傳輸，實時反饋機器人運動數據、環境信息，在機器人控制系統中建立仿真的虛擬世界，操作者通過VR設備和可穿戴式操作設備進行操作，使3D仿真與機器人實體同步。

5. 本系統配套我們自主研發的可穿戴式操作設備，能夠采集人體手臂動作的信息數據，通過機器人控制系統轉換為機器人的控制數據，使得人與機器人的動作同步。

6. 本系統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，有利于用戶在現有的基礎上進行二次開發。

   三、工業機器人控制系統的功能詳解

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

   1.同步仿真

   機器人控制系統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，在規劃機器人運動軌跡更加提高工作效率，優化軌跡程序。

同步運動仿真視圖的視角可以通過操作視圖調整按鈕，進行模型視角左調/右調/上調/下調/回到默認位置等調整。視圖調整按鈕如下圖所示。此外，機器人控制系統還支持視圖拉動，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；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-。視圖調整功能實現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，控制系統擁有三種操作方式：基座坐標系、工具坐標系和關節控制。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基座三維定位關系，對應大地坐標、參照物坐標系進行定位。此模式下，可通過系統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工具三維定位關系，對應基座、參照物坐標系進行定位。此模式下，可通過系統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。

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

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

1. 指令編程與軌跡錄制

   本機器人控制系統的編程方式有兩種：指令編程和錄制運動軌跡。

   本系統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）、三點圓弧（3P-ARC）、三點圓（3P-CIRCULE）、半徑圓弧（R-ARC）、曲線（CURVE）、延時（DELY）、跳轉（JUMP）、循環（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，然后選擇相應的運動指令，填寫參數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據，在程序里生成所運動的指令代碼，實現快速編程，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）按鈕控制機器人執行指令。

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

本系統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。如需調用子程序，在編輯程序時，添加子程序（SUB）指令，設置子程序ID，即可成功調用。

本系統的編程語言簡單友好，容易掌握，大大降低了操作者學習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。操作員在調試程序時，可使用單步運行功能，提高優化程序的效率。操作員可將通用的、使用次數多的運動軌跡保存為子程序，如此可避免重復勞動。

4.離線編程與調試

離線狀態：機器人控制系統未連接或者未使能伺服驅動器的狀態。

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

本系統的離線編程與調試功能，能讓操作員未連接機器人本體的狀態下進行編輯程序和優化程序，避免操作員在實體操作調試出現誤操作，影響機器人整體系統的穩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，通過設定擺幅、點數和方向等參數生成相應的擺振曲線。

在實際工業應用中，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。在本系統中，只需要設定擺幅、點數和方向等參數生成相應的擺振曲線嗎，然后在添加指令時設置預先保存好的擺振ID，即是實現機器人在走運動軌跡過程中出現擺動運動，滿是自動焊接的需要。

6.參數設置

本系統可設置基本參數、機構參數、機電參數、IO設置、寄存器設置、AD/DA設置、工具管理、工具點標定、通訊參數等，能夠全方位的調節機器人運動參數。本系統需要配置的參數看起來很多，但很多參數都是默認配置好了的，實際使用時，不需要配置太多的參數，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、離線編程與調試、3D模型運動仿真、參數修改等功能。

手持控制器的基本操作邏輯與機器人控制系統軟件的操作邏輯基本一致，會使用機器人控制系統軟件，就會使用手持控制器去控制機器人運動、編輯運動程序、調試程序等功能，不必要再去學習一次如何使用手持控制器，大大減少了學習本套機器人控制系統的學習時間成本。