工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)研究綜述

呂冬冬，鄭松,2

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

工業(yè)機(jī)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(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116；2．福建省工業(yè)控制信息安全技術(shù)企業(yè)重點實驗室，福建 福州 350008)

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

機(jī)器人控制系統(tǒng)； 開放式控制器； 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)； 機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)； 以太網(wǎng)； 多機(jī)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(chǎn)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(jī)器人作為制造業(yè)的重要部分，需要面臨越來越高的生產(chǎn)需求[1-2]。制造業(yè)要求機(jī)器人具備更大的柔性與開放性，能與工業(yè)生產(chǎn)中不同的設(shè)備通過總線或者以太網(wǎng)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(jī)器人控制系統(tǒng)都僅遵循相關(guān)廠家的標(biāo)準(zhǔn)，采用封閉的控制器與編程語言，用戶難以根據(jù)需求的變化對其進(jìn)行調(diào)整，因此工業(yè)機(jī)器人的開放式控制系統(tǒng)的研究成為了國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)研究的重點。

本文簡要概述機(jī)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(jìn)行了展望。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述

機(jī)器人由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、以及周圍的一些傳感器組成。其中控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心，它是由一組硬件與軟件組成，根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置。機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由主控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(fù)責(zé)對機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)的計算、運動規(guī)劃、插補(bǔ)計算等，將用戶的運動控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)[3]12。由于機(jī)器人的所有動作指令均由它的控制系統(tǒng)給出，因此機(jī)器人的開放性就取決于控制系統(tǒng)的開放性。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

2 開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)

目前，機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放性還沒有嚴(yán)格的定義，根據(jù)IEEE對“開放”的官方定義，開放系統(tǒng)應(yīng)滿足系統(tǒng)的應(yīng)用可以在不同的平臺之間移植，與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互交互，為用戶提供一致的交互方式[4]。庫卡機(jī)器人集團(tuán)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(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)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(yīng)該具有模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化的開放式結(jié)構(gòu)，用戶不必深入了解機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需一些簡單的機(jī)器人知識便可操作機(jī)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(yīng)用[5]。

2.1 開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展

關(guān)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(xué)的K.Nilson和Rolf Johanssonb提出將控制系統(tǒng)采用分層的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了開放式機(jī)器人控制器的結(jié)構(gòu)[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(jī)構(gòu)出資進(jìn)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(jī)構(gòu)與控制器廠商共同提出的，并在1996年順利完成整個標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)平臺的開發(fā)；日本一些大型機(jī)械及機(jī)電制造廠商也在1994年聯(lián)合提出OSEC計劃[8]，該計劃的遠(yuǎn)大目標(biāo)是為全球的自動化公司制定一種標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)化的接口層，用戶可以根據(jù)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(jī)的快速發(fā)展，具備平臺通用性的機(jī)器人控制軟件的研究也取得了相應(yīng)的進(jìn)展。在2001年，Jet Propulsion實驗室設(shè)計提出自主機(jī)器人系統(tǒng)CLARAty[10]。到了2003年，由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)的機(jī)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(xué)提出開源的ROS系統(tǒng)(robot operating system)并與許多大學(xué)與公司進(jìn)行合作研究，例如麻省理工學(xué)院、三星等。在2010年Willow Garage公司發(fā)布了開源機(jī)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(gòu)(又稱為Nodes)，這使得可執(zhí)行文件能被單獨設(shè)計，并且在運行時松散耦合。該系統(tǒng)的優(yōu)點是不受機(jī)器人硬件的拘束，系統(tǒng)本身自帶許多機(jī)器人控制算法與指令，能適用于不同的機(jī)器人。

雖然目前還沒有一套嚴(yán)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jī)器人廠商把基于PC的機(jī)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(fù)責(zé)人機(jī)交互界面，運動控制卡負(fù)責(zé)進(jìn)行運動學(xué)求解、軌跡插補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，方便用戶采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件進(jìn)行編程。

此模式開展的研究比較早，羅偉濤等[13]人結(jié)合ARM、DSP和FPGA，設(shè)計了一種機(jī)器人運動控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)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(shù)的優(yōu)點，開發(fā)了一種多自由度機(jī)器人的控制系統(tǒng)平臺體系，使得機(jī)器人可以實現(xiàn)動態(tài)運動，并與環(huán)境進(jìn)行快速的交互。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制出了PC+DSP+FPGA的硬件控制結(jié)構(gòu)并將其運用在衛(wèi)星遙操作四自由度機(jī)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(shù)據(jù)處理速度?？刂破鞯纳壋杀靖叨疫\動控制卡目前還沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。

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(jī)器人的運動學(xué)求解，軌跡規(guī)劃與插補(bǔ)算法的計算等都在PC機(jī)上，減緩了運動控制卡的數(shù)據(jù)處理壓力，而且整體的硬件結(jié)構(gòu)簡單，方便日后的升級。工控機(jī)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(jìn)行具有簡單、界面友好的機(jī)器人控制軟件的開發(fā)。此模式下的工控機(jī)與運動控制卡的分工明確。

基于這種模式目前國內(nèi)外高校以及科研機(jī)構(gòu)研究出了相應(yīng)的成果。國內(nèi)的華中科技大學(xué)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(jī)器人控制器[16]。江南大學(xué)沈躍等[17]人在SIASUN-06B機(jī)器人的基礎(chǔ)上采用PMAC替代了原有控制器，能夠?qū)λ欧刂频奈恢每刂萍癐/O邏輯順序控制，完成對各個電機(jī)的速度環(huán)和電流環(huán)的控制。增強(qiáng)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(xiàn)[18]采用PC+I/O控制板的硬件結(jié)構(gòu)，在開放式操作環(huán)境RTX+Windows實現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)器人的控制實驗，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具備穩(wěn)定性與可靠性。國內(nèi)的廣州數(shù)控設(shè)備有限公司自主研發(fā)的六軸工業(yè)機(jī)器人采用基于RTX的控制系統(tǒng)架構(gòu)[19]，實現(xiàn)了六軸工業(yè)機(jī)器的點位與軌跡控制。該體系具備開放性與可拓展性，為機(jī)器人控制算法與功能拓展提供了基礎(chǔ)。

許多大機(jī)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?shù)蕉喙δ芩欧刂瓶ㄟM(jìn)行電機(jī)驅(qū)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(wǎng)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(jī)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(jī)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(jī)器的軌跡規(guī)劃、直線插補(bǔ)改進(jìn)等許多優(yōu)秀的算法可以在不同機(jī)器人上應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。目前工控機(jī)結(jié)合運動卡是工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)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(qiáng)大，并具備很強(qiáng)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(diào)控制以及對電機(jī)的閉環(huán)控制等功能，能夠滿足工業(yè)機(jī)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(shè)計，而且可靠性高以及網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)大，能實現(xiàn)與其他工業(yè)設(shè)備的集成控制。東南大學(xué)的卞洪元設(shè)計完成了基于AB PLC控制器的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，用AB PLC ControlLogix控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對機(jī)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(jī)制，具有可靠性高、適合于進(jìn)行重復(fù)性工作等優(yōu)勢。PLC具有強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，因此能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對多機(jī)器人的監(jiān)控。許多大公司如ABB、Rockwell的PLC都能支持工業(yè)機(jī)器人的控制與管理，它們的控制器內(nèi)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(jī)的位置環(huán)閉環(huán)控制。目前基于PLC控制器的機(jī)器人已經(jīng)在碼垛、水下作業(yè)等方面成功應(yīng)用。

2.2.4 基于“通用PC+工業(yè)實時以太網(wǎng)”的控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)的另一個發(fā)展方向是網(wǎng)絡(luò)化[23]。Ken Goldberge在1994年提出基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人概念。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)因具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[24]提出一種基于通用PC和實時以太網(wǎng)技術(shù)的機(jī)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(jié)構(gòu)的通訊采用支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡的EtherMAC[25]。在這種模式下成功實現(xiàn)了SCARA與Delta并聯(lián)機(jī)械手在通過視覺的調(diào)度下實現(xiàn)流水線的物料拾取操作。在網(wǎng)絡(luò)控制中，一幀的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)對節(jié)點內(nèi)的所有伺服電機(jī)進(jìn)行控制、參數(shù)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(qiáng)的優(yōu)點[26]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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

在其他主流的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用方面，基于SERCOS Ⅲ[29]的控制系統(tǒng)采用帶CPU的專用網(wǎng)卡方案，文獻(xiàn)[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(wǎng)”的開放式總線工業(yè)機(jī)器人控制器架構(gòu)。在SERCOS Ⅲ控制網(wǎng)絡(luò)中，包含有主從站，主站通過通用通信模塊對各個機(jī)器人從站進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[31]提出了基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，引入模塊化設(shè)計方法，組成多層控制結(jié)構(gòu)。

基于網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)器人系統(tǒng)，可以在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，集成異構(gòu)機(jī)器人，用戶可以在統(tǒng)一的平臺上對不同機(jī)器人進(jìn)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(gòu)機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)的發(fā)展。實現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)機(jī)器人集成的關(guān)鍵在于找到一個開放式結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的控制程序、具備數(shù)據(jù)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(yīng)用的機(jī)器人開發(fā)一套開放式控制系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，而開發(fā)出一套完全適合于所有機(jī)器人系統(tǒng)更加困難，但是這方面的努力一直在進(jìn)行。目前很多研究機(jī)構(gòu)在基于硬件開放式架構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用開放式純軟件控制技術(shù)。NEXUS[32]是開放式機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人控制的通用軟件包，可以應(yīng)用于不同機(jī)器人，而且此程序是開源的，用戶可以在網(wǎng)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(shù)。廈門大學(xué)的趙輝等[34]基于此技術(shù)開發(fā)純軟件開放式控制系統(tǒng)實現(xiàn)對六軸工業(yè)機(jī)器人的控制。

開放式控制軟件一般運行于工控機(jī)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(nèi)核完成，硬件僅僅負(fù)責(zé)伺服數(shù)據(jù)和I/O信號的傳輸。因此可以選用高性能的伺服網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建伺服通訊平臺，在此開放性架構(gòu)上可以方便的接入多個機(jī)器人伺服，實現(xiàn)對多機(jī)器人的控制。硬件可以根據(jù)需要進(jìn)行拓展或者代替，能夠滿足異構(gòu)的機(jī)器人伺服與通訊的要求。

3 基于開放式控制系統(tǒng)的多機(jī)器人協(xié)同

基于開放式軟硬件架構(gòu)的多機(jī)器人協(xié)同運動控制目前也取得了一定的成果。國內(nèi)方面的成果，天津大學(xué)的宋偉科等[35]采用多層等級式的控制體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多機(jī)器人的系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的實時任務(wù)調(diào)度；廖燕、金平等[36]則是對多機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)的離線編程系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與研究。國外主流的機(jī)器人公司都已經(jīng)推出了基于PC和實時以太網(wǎng)的開放式結(jié)構(gòu)控制器，并且基于各自的控制器開發(fā)出了相應(yīng)的多機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)。Motoman研制了雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接；KUKA公司將多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)在奔馳車間成功應(yīng)用；ABB公司通過自己研發(fā)的IRC5控制器與Robotstudio機(jī)器人的編程與離線軌跡規(guī)劃軟件實現(xiàn)了3臺機(jī)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(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，因此遵循標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(jù)自己的生產(chǎn)需求增減設(shè)備。目前多機(jī)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(yīng)用。

4 結(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)軟件平臺的開發(fā)，平臺應(yīng)該采用國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計軟件接口，用戶可以在上面方便的進(jìn)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(jī)器人開放式控制系統(tǒng)；

(3)工業(yè)以太網(wǎng)在生產(chǎn)車間具有廣泛應(yīng)用前景，開放式控制系統(tǒng)未來會朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展；

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

[1] 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用編輯部.我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013，1(1)：3-5.

[2] 顧震宇.全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機(jī)電一體化，2006,12(2)：6-10.

[3] 潘煉東. 開放式機(jī)器人控制器及相關(guān)技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué)自動化學(xué)院, 2007.

[4] FORD W E What is an open architecture robot controller[C]//Proceedings of 1994 IEEE International Symposium On Intelligent Control. Columbus，Ohio，USA：IEEE，1994：25-28.

[5] 湯嘉榮. 六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)探究[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2016,24(6):1-2.

[6] NILSSON K, JOHANSSON R. Integrated architecture for industrial robot programming and control[J]. Robotics & Autonomous Systems, 1999, 29(4):205-226.

[7] SPERLING W, LUTZ P. Designing applications for an OSACA control[C]//Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition. USA, November, 1997: 16-21.

[8] 劉利. 日本開放系統(tǒng)環(huán)境OSE研究會簡介[J]. 機(jī)電一體化, 1998,4(3): 8.

[9] 戴曉華,王文,王威,等.開放式數(shù)控系統(tǒng)研究綜述[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2000,42(11):5-7.

[10] VOLPE R, NESNAS I, ESTLIN T, et al. The CLARAty architecture for robotic autonomy[C]//Aerospace Conference,IEEE Proceedings. IEEE, 2001, 1: 1/121-1/132.

[11] MONTEMERLO M, ROY N, THRUN S. Perspectives on standardization in mobile robot programming: The Carnegie Mellon navigation (CARMEN) toolkit[C]//Intelligent Robots and Systems, 2003. Proceedings. 2003 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2003, 3: 2436-2441.

[12] BROOKS A, KAUPP T, MAKARENKO A, et al. Orca: Components for robotics[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Workshop on Robotic Standardization. 2006:163-168.

[13] 羅偉濤,張鐵.基于ARM+DSP+FPGA的機(jī)器人運動控制器研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(15):55-58.

[14] 孫斌,楊汝請.開放式機(jī)器人控制器綜述[J].機(jī)器人,2001,23(4):374-378.

[15] 黃劍斌.人機(jī)碰撞環(huán)境中機(jī)械臂的笛卡爾阻抗控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[16] 王天然,曲道奎.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)[J].機(jī)器人,2002,24(3):256-261.

[17] 沈躍,劉慧.開放式結(jié)構(gòu)平臺上的SIASUN-06B機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2004,42(5):101-103.

[18] 方心宇.開放式網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué),2004.

[19] 湯嘉榮.六軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)探究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016,8(6):1-2.

[20] 高明輝, 張楊, 張少擎, 等. 工業(yè)機(jī)器人自動鉆鉚集成控制技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2013,56(20): 74-76.

[21] KOCIAN J, KOZIOREK J. An outline of Advanced Process Control and self tuning techniques on PLC background[C]//Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), 2010 IEEE Conference on. IEEE, 2010: 1-8.

[22] 卞洪元.基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué),2005.

[23] PO-NAGEN W. Real-time Inter-processing for PC Based Robot Controllers in Tele-robotic and Gantry Robotic Controller System[C]// IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. IEEE Computer Society, 2009:1585-1589.

[24] 王云飛.基于實時以太網(wǎng)及KRTS的機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].山東：山東大學(xué),2015.

[25] WANG K, ZHANG C, DING X, et al. A new real-time ethernet for numeric control[C]// Intelligent Control and Automation (WCICA),2010 8th World Congress on. IEEE,2010:4137 - 4141.

[26] 丁信忠.基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線型交流伺服系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東：山東大學(xué),2012.

[27] 劉磊.工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué),2014.

[28] 王宏杰,顏國正,林良明.基于C/S模型機(jī)器人控制器的研究及其應(yīng)用[J].機(jī)器人,2002,24(3):228-233.

[29] 王建波,楊林.基于以太網(wǎng)的實時通訊系統(tǒng)SERCOS Ⅲ[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2007,20(2):93-94.

[30] 曲志兵,周波,孟正大,等.基于SERCOS-Ⅲ的工業(yè)機(jī)器人控制器設(shè)計[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015(S1):501-504.

[31] 楊濤.基于EtherCAT的機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué), 2014.

[32] FERNANDEZ J A, GONZALEZ J. NEXUS: a flexible, efficient and robust framework for integrating software components of a robotic system[C]// 1998 IEEE International Conference on. Robotics & Automation. IEEE, 1998:524-529 vol.1.

[33] BRUYNINCKX H. Open robot control software: the OROCOS project[C]// Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on. Robotics & Automation. 2001:2523-2528 vol.3.

[34] 陳坤聊. 基于SMP的純軟件開放式工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)[D].廈門：廈門大學(xué), 2009.

[35] 宋偉科.基于多機(jī)器人的開放式智能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)[D].天津：天津大學(xué), 2012.

[36] 繆燕,金平,尹佑盛.雙機(jī)器人制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作離線編程研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2001, 7(2):43-47.

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(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。 鄭松(1962-)，男，福建福州人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器人，先進(jìn)控制算法，仿真與建模。

定稿日期: 2016-09-22