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解读工业机器人控制系统、KUKA机器人安装过程详解

百家作者：智能制造IM 2018-12-21 13:20:16

近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器.我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。

◎文丨工业机器人

机器人控制器研发现状

近年来随着微电子技术的发展，微处理器的性能越来越高，而价格则越来越便宜，目前市场上已经出现了1-2美金的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。

为了保证系统具有足够的计算与存储能力，目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求，这就产生了机器人系统对SoC(SystemonChip)技术的需求，将特定的处理器与所需要的接口集成在一起，可简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，并降低成本。例如，Actel公司将NEOS或ARM7的处理器内核集成在其FPGA产品上，形成了一个完整的SoC系统。在机器人运动控制器方面，其研究主要集中在美国和日本，并有成熟的产品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。

目前国际上还没有专用于机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中，通常根据系统需求，把常用的一些总线，如以太网、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于机器人系统中。当前大部分通信控制总线可以归纳为两类，即基于RS-485和线驱动技术的串行总线技术和基于实时工业以太网的高速串行总线技术。

在控制器体系结构方面，其研究重点是功能划分和功能之间信息交换的规范。在开放式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构，一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单，在日本，体系结构以硬件为基础来划分，如三菱重工株式会社将其生产的PA210可携带式通用智能臂式机器人的结构划分为五层结构;另一种是基于功能划分的结构，它将软硬件一同考虑，其是机器人控制器体系结构研究和发展的方向。

在机器人软件开发环境方面，一般工业机器人公司都有自己独立的开发环境和独立的机器人编程语言，如日本Motoman公司、德国KUKA公司、美国的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大学在机器人开发环境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多开放源码，可在部分机器人硬件结构下进行集成和控制操作，目前已在实验室环境下进行了许多相关实验。

从机器人产业发展来看，对机器人软件开发环境有两方面的需求。一方面是来自机器人最终用户，他们不仅使用机器人，而且希望能够通过编程的方式赋予机器人更多的功能，这种编程往往是采用可视化编程语言实现的，如乐高MindStormsNXT的图形化编程环境和微软RoboticsStudio提供的可视化编程环境。

随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向以下我们看下目前国际几家巨头的控制系统。

ABB机器人控制系统

ABB机器人IRC5控制器(灵活型控制器)由一个控制模块和一个驱动模块组成，可选增一个过程模块以容纳定制设备和接口，如点焊、弧焊和胶合等。配备这三种模块的灵活型控制器完全有能力控制一台6轴机器人外加伺服驱动工件定位器及类似设备。如需增加机器人的数量，只需为每台新增机器人增装一个驱动模块，还可选择安装一个过程模块，最多可控制四台机器人在MultiMove模式下作业。各模块间只需要两根连接电缆，一根为安全信号传输电缆，另一根为以太网连接电缆，供模块间通信使用，模块连接简单易行。

控制模块作为IRC5的心脏，自带主计算机，能够执行高级控制算法，为多达36个伺服轴进行MultiMove路径计算，并且可指挥四个驱动模块。控制模块采用开放式系统架构，配备基于商用Intel主板和处理器的工业PC机以及PCI总线。由于采用标准组件，用户不必担心设备淘汰问题，随着计算机处理技术的进步能随时进行设备升级。

完善的通信功能是ABB机器人控制系统的特点。其IRC5控制器的PCI扩展槽中可以安装几乎任何常见类型的现场总线板卡，包括满足ODVA标准可使用众多第三方装置的单信道DeviceNet，支持最高速率为12Mbps的双信道ProfibusDP以及可使用铜线和光纤接口的双信道Interbus。

控制模块作为IRC5的心脏，自带主计算机，能够执行高级控制算法，为多达36个伺服轴进行MultiMove路径计算，并且可指挥四个驱动模块。控制模块采用开放式系统架构，配备基于商用Intel主板和处理器的工业PC机以及PCI总线。由于采用标准组件，用户不必担心设备淘汰问题。

KUKA机器人控制系统

KRC4的革新理念为自动化的明天打下了坚实的基础。降低了自动化方面的集成、保养和维护成本。并且同时持久地提高系统的效率和灵活性。所以库卡开发了一个全新的、结构清晰且注重使用开放高效数据标准的系统架构。这个系统架构中集成的所有安全控制(SafetyControl)、机器人控制(RobotControl)、运动控制(MotionControl)、逻辑控制(LogicControl)及工艺过程控制(ProcessControl)均拥有相同的数据基础和基础设施并可以对其进行智能化使用和分享。使系统具有最高性能、可升级性和灵活性。引领时代、开创未来—而且并不仅限于库卡机器人。

另外，新型KUKAsmartPAD在超大高清无反射触摸屏上以最佳的效果显示出如何直观地操控机器人。库卡smartPAD重量仅有1公斤，不仅能够提供久经考验的操作控制元件，如6D鼠标，还能够为用户提供一系列全新的、人性化的功能，如配置了USB端口，从而方便用户直接在控制面板上存储和装载数据。总的来说，smartPAD使用8.4寸超大、高清、防反射、操控键少的触摸屏。运动操作键和以前的相比，该操作面板可以方便地控制八轴，而无需来回切换。

KUKA机器人控制软件运行于XP+VxWorks平台，既可以提供良好的人机交互界面，又能提供精确的实时控制。KUKA.WorkVisual软件架构的模块化结构把一个项目的所有步骤融合到同源的软件环境中，它可被同时用作工作单元配置的规划工具和通用编程环境。从规划到编程，再到优化，WorkVisual通过为所有的工具配置统一的外观而简化了所有的自动化任务。与MSOffice相比，WorkVisual拥有标准的用户接口和菜单导航，能够在诸如复制、粘贴、拖放代码段等方面为用户带来更多的方便。此外，基于跨程序的目录和项目数据，还能确保数据的一致性和连贯性。有了这些决定性的优势，当后台运行这些功能时，程序代码已经过了逻辑检测。这也意味着项目的所有错误将被消灭在萌芽状态中。

KEBA机器人控制系统

KEBA工业自动化公司(Automationbyinnovation)成立于1968年，总部位于奥地利林茨(Linz)市，是一家为实现工业自动化服务的一流高科技公司，其商业领域包括塑料行业、机器人、机械和过程自动化、移动和操作等。现在已发展成为一家在全世界范围内取得成功的电子公司。

Keba与ABB和库卡不同，她不是机器人生产商，他的产品是工业级伺服控制系统，能够实现多自由度机器人的控制，该控制系统中通过VxWorks平台或者+RTX实时扩展平台保证软件运行环境的实时性，通过运动规划和运动控制单元可以实现对总线式伺服驱动器的控制，从而达到对机器人的精确控制。通过上述分析，可以得到如下表所示的各国机器人标杆厂商其机器人控制系统在实时性，运动控制功能以及可扩展性等方面的比较。

KeMotionr5000系列控制器是一套完整的面向多轴运动控制系统软硬件模块化控制器。硬件包括KeMotion控制器，以及各种外围模块组成，它们通过以太网或总线的形式与控制器连接，实现面向各种应用的搭配。控制系统软件的核心部分是运行在控制器硬件平台(x86嵌入式微处理器)上一整套软件。自底向上的看，首先底层的OS是VxWorks实时操作系统，这为系统的实时性和可靠性提供了一个基础，同时也为应用软件提供运行环境。

VxWorks中运行了两套软件，分别是RobotControl和SoftPLC，它们组合在一起构成了控制系统软件的核心。其中RobotControl是负责机器人的运动控制，包括机器人的轨迹规划和插补操作，而SoftPLC则负责外围信号采样、逻辑控制等功能。

在工业自动化业务领域，KEBA优化了机械自动化，机器人以及移动终端。KEBA工业自动化针对客户的不同需求为机械及机器人控制系统提供快速有效的模块化的解决方案。

发那科机器人控制系统

FANUC首台机器人问世以来，FANUC致力于机器人技术上的领先与创新，是世界上唯一一家由机器人来做机器人的公司，是世界上唯一提供集成视觉系统的机器人企业，是世界上唯一一家既提供智能机器人又提供智能机器的公司。FANUC机器人产品系列多达240种，负重从0.5公斤到1.35吨，广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等不同生产环节，满足客户的不同需求。

发那科机器人控制系统FANUCRobotR-30iA集中了发那科各种最先进的新一代机器人控制器，具有性能高，响应快，安全性能强等特点。作为唯一集成了视学功能的机器人控制器，将大量节约为实现柔性生产所需的周边设备成本。基于FANUC自身软件平台研发的各种功能强大的点焊、涂胶、搬运等专用软件，在使机器人的操作变得更加简单的同时，也使系统具有彻底免疫计算机病毒的功能。

R-30iA减轻了自重，并通过巧妙的设计改变了示教盒的重心，改善了整体的平衡性，使示教、操作变得更轻松。通过金属接头及塑料护套加强了电缆接头处的防护，再也不用担心由于拉拽刮擦造成的电缆损坏。增加了附加轴切换的快捷键及电源指示灯，简化了操作步骤。

拓野机器人控制系统解读

拓野机器人系统的结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成。其中控制系统是机器人产业的一个核心环节，如何设计好一个机器控制系统是行业发展的关健。目前，拓野机器人控制系统将向着基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，伺服驱动技术的数字化和分散化。