工业机器人控制与通信技术的实践应用研究

工业机器人控制与通信技术的实践应用研究

李飞

华自科技股份有限公司，湖南 长沙 410006

摘要：随着我国机械强国战略的实施和深化，工业机器人在工业生产中的重要作用日益凸显，成为现代工业发展中不可或缺的组成部分。工业机器人的应用不仅能够提高生产效率、降低人工成本，还对信息产业的快速发展起到积极推动作用。然而，所有这些进步都离不开控制系统这一工业机器人发展的基础。本文将结合笔者的工作经验，对工业机器人控制与通信技术的实践进行分析，为今后更好地开展工作提供参考与借鉴。

关键词：通讯技术；工业机器人；实践分析

引言：目前，具备视觉系统的机器人在机器人家族中占据越来越重要的地位。相比传统机器人，这类机器人能够自主的获取外部图像信息，感知周围环境的变化，从而具备了运动高精度、适应能力强、抗干扰能力强等诸多优点。视觉系统赋予机器人更加智能化和灵活性，使其能够更好地适应不同环境和任务的需求。视觉系统的引入，使得机器人在执行任务时能够更加精准地定位和识别目标，从而提高了其执行任务的准确性和效率。

1开放式机器人控制系统硬件框架

目前在机器人领域，控制体系架构可以根据开放程度的不同分为两种形式：一种是由大型机器人制造企业自主开发的专有控制体系架构，例如ABB、Motoman等；另一种是开放的通用控制体系架构，如基于PC机的运动控制体系架构。这里重点介绍开放式通用控制体系架构的特点：可互换性：开放式通用控制体系架构中的模块具有互换性，即市场上存在可供选择的可替换产品。这使得用户在选择控制系统组件时具有更多的灵活性，可以根据需求和预算选择适合的组件，同时也促进了市场的竞争和创新。可操作性：该架构的各模块之间具备标准化接口，可以通过互相协作共同完成某一具体任务。这使得不同厂家的模块可以无缝集成，提高了系统的整体性能和稳定性。可移植性：开放式通用控制体系架构中的模块具备在不同硬件平台上工作的能力。这意味着用户可以将同一模块应用于不同类型的机器人或设备，降低了系统迁移和升级的成本。可扩展性：该架构中的各模块单元便于扩展和二次开发。这为用户提供了更多的自定义选项和个性化需求的满足，使系统更加灵活和适应性更强。模块化：开放式通用控制体系架构由一系列功能相互独立的硬件模块和软件模块组合而成，形成有机的整体，可以协同操作。这种模块化设计简化了系统的维护和升级，提高了系统的稳定性和可靠性。开放式通用控制体系架构的特点使得其广泛应用于各类机器人和自动化设备中，为机器人技术的发展和应用提供了更大的便利和创新空间。这种开放性和互操作性的架构不仅促进了机器人产业的发展，也推动了整个自动化领域的进步和智能化发展。在这种开放式机器人控制系统架构中，PC和运动控制卡各司其职，实现了模块化和简单化的设计目标。PC作为主机系统，具备灵活的软件开发环境和通讯接口，能够处理非实时任务，例如用户界面交互、任务指令处理和任务规划等。由于PC的成本相对较低，开放度高，可以方便地与其他设备进行数据交换和通信，使得整个控制系统更加灵活可扩展。该机器人控制系统采用了单目、Eye-to-Hand和基于位置的直接视觉控制方式。这样的控制系统架构具备开放性和灵活性，使得机器人能够更加智能地感知和控制周围环境。视觉引导技术为机器人增加了感知能力，让其能够根据图像信息做出更加准确的决策。同时，采用PC与运动控制卡相结合的设计，使得机器人控制系统能够处理复杂的任务和实时运动控制，并实现目标对象的抓取与摆放。这样的技术应用将推动机器人技术在实际生产和服务领域的广泛应用，为工业自动化和人工智能的发展带来更多的可能性和创新。

2开放式机器人控制系统的软件框架

考虑到Windows 7操作系统拥有丰富的应用软件基础和数据类型表示能力，因此在本文中选择将其作为机器人控制软件的搭载平台。同时，在控制软件的设计与实现过程中，采用面向对象方法。这种方法能够将现实世界中的物理对象和功能对象直接映射为软件对象，并将软件对象本身的属性和行为进行封装，对外只提供接口。这种方式有助于实现软件系统的模块化，使得不同部分的功能能够更加独立、灵活的运作。同时，利用C++程序设计语言的继承、多态等语言特性，可以使模块内部具备高度的可扩展性和可修改性，从而为整个机器人控制软件系统提供极高的开放性。机器人控制软件按照四层结构划分，每一层都扮演着不同的核心角色，共同协作实现机器人控制系统的功能。

1.用户界面层：位于软件的上层部分，主要负责提供友好的图形化人机交互界面。其设计目标是让操作人员能够快速上手，并方便地与机器人进行交互。通过直观的图形界面，用户可以设定机器人执行的任务、监控运行状态以及查看执行结果。友好的用户界面可以提高操作效率，降低人为操作错误的可能性。

2.任务处理层是机器人控制软件的核心部分，负责处理用户界面层传递过来的各种任务指令和事件信号。它起着连接用户界面层和核心运动控制层的桥梁作用，将用户的任务需求转化为机器人可以理解的运动指令。在任务执行过程中，任务处理层不断与用户界面层进行交互，及时向用户反馈机器人的状态，确保用户能够实时了解机器人的工作情况和任务处理结果。

3.核心运动控制层位于软件的底层，是机器人运动控制的核心模块。在这一层，对SCARA型工业机器人进行正向和逆向运动学分析，通过轨迹规划插补模块实现机器人运动轨迹的规划。该层集成了不同空间和类型的运动轨迹规划算法，以确保机器人能够精确、高效地执行各种任务。核心运动控制层的性能和精度直接影响着机器人的运动质量和准确性。

4.通信管理层位于软件的最底层，负责机器人控制软件与硬件设备之间的数据交互。它是机器人控制软件与运动控制器之间的纽带。通信管理层负责将数据封装并传输给运动控制器，同时接收运动控制器返回的反馈数据。此外，通信管理层还负责运动控制器的初始化、配置和控制等任务。为了提高系统的实时性能，未来考虑采用Ether CAT实时以太网作为通信通道。

整个机器人控制软件的四层结构相互配合，确保机器人能够高效、准确地执行各种任务。用户界面层使得操作更加便捷，任务处理层将任务指令转化为运动控制指令，核心运动控制层实现机器人的运动轨迹规划，而通信管理层确保软件与硬件设备之间的稳定数据交互。这样的软件结构旨在提高机器人控制系统的可靠性和开放性，为未来机器人技术的发展提供坚实的基础。

结语：

计算机视觉系统在工业机器人控制中的应用对于提升自动化水平和工作效率至关重要。通过加入视觉系统，工业机器人可以像人一样感知和理解外部环境的信息，从而智能地调整工作流程，适应不同的任务需求。随着具备视觉系统的机器人在各领域的普及，其发展水平成为国家机械自动化水平的重要指标。尽管目前国际上已开展了大量的基于视觉的工业机器人的研究工作，但是其具体的研究内容与实施方式仍存在很大的差别。本论文以具有与人脑功能相似的视觉系统为对象，设计了一套具有视觉系统的计算机控制软件。在此基础上，使用者可根据工作的需要，对机器人的控制程序进行定制。在控制过程中，通过对目标的定位，实现了对目标的跟踪，并根据目标的定位，实现了机器人的移动轨迹的智能化。最后，在此基础上，利用数据通信接口，向下位机发出移动控制命令，完成了对工业机器人的移动控制。本项目的开展，对推动工业机器人的智能化发展具有重要意义。通过视觉系统的应用，工业机器人可以更加灵活、高效地执行各类任务，提高生产效率和质量。这种智能化的控制软件系统具备良好的可定制性和扩展性，使机器人能够适应多样化的工作场景和任务需求。随着这一领域的不断探索与进步，工业机器人的应用将在未来持续发展，推动自动化技术在各个行业的广泛应用，为国家经济建设和科技创新贡献力量。

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