工業(yè)機(jī)器人控制器研究現(xiàn)狀

導(dǎo)讀

控制器是工業(yè)機(jī)器人的三大核心零部件之一，也是工業(yè)機(jī)器人的大腦，它的好壞直接決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣，因此，不管是ABB、KUKA，還是新松、新時(shí)達(dá)等國內(nèi)外各大工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商都不約而同地把控制器的主導(dǎo)權(quán)掌握在自己手中。

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展目標(biāo)，即開發(fā)滿足用戶需求的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)、主機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)及關(guān)鍵零部件制造技術(shù)，突破一批核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件，提升量大面廣主流產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性指標(biāo)，在重要工業(yè)制造領(lǐng)域推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的規(guī)?；痉稇?yīng)用。

作為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場，中國的工業(yè)機(jī)器人需求約占全球三分之一左右。在巨大的需求刺激以及國家政策的支持下，中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也得到了長足的發(fā)展，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2017年1-11月，中國工業(yè)機(jī)器人累計(jì)產(chǎn)量11.817萬臺(tái)，跟去年同比增長68.8%，是增長最快的產(chǎn)品之一。

在此背景之下，工業(yè)機(jī)器人控制器也實(shí)現(xiàn)了爆發(fā)式增長。據(jù)預(yù)測，2017年機(jī)器人控制器市場規(guī)模達(dá)8.78億元。控制器、軟件與本體一樣，一般由機(jī)器人廠家自主設(shè)計(jì)研發(fā)。

目前國外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，各品牌機(jī)器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配。因此，控制器的市場份額基本和機(jī)器人保持一致，國內(nèi)企業(yè)控制器尚未形成市場競爭優(yōu)勢。

工業(yè)機(jī)器人控制器研究現(xiàn)狀

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，為處理器的性能越來越高，價(jià)格越來越便宜。高性價(jià)比的微處理器使得開發(fā)低成本、高性能的工業(yè)機(jī)器人控制器成為可能。

為了保證系統(tǒng)具有足夠的計(jì)算與存儲(chǔ)能力，目前工業(yè)機(jī)器人控制器多采用計(jì)算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。

此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在價(jià)格、性能、集成度和接口等方面的要求，這就產(chǎn)生了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)對SoC（SystemonChip）技術(shù)的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)，縮小系統(tǒng)尺寸，并降低成本。

目前國際上還沒有專用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的伺服通信總線，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常根據(jù)系統(tǒng)需求，把常用的一些總線，如以太網(wǎng)、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中。

在控制器體系結(jié)構(gòu)方面，其研究重點(diǎn)是功能劃分和功能之間信息交換的規(guī)范。在開放式控制器體系結(jié)構(gòu)研究方面，有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是基于硬件層次劃分的結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)比較簡單，在日本，體系結(jié)構(gòu)以硬件為基礎(chǔ)來劃分，如三菱重工株式會(huì)社將其生產(chǎn)的PA210可攜帶式通用智能臂式工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為五層結(jié)構(gòu)；另一種是基于功能劃分的結(jié)構(gòu)，它將軟硬件一同考慮，其是工業(yè)機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)研究和發(fā)展的方向。

由于硬件大多都是外購，工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商幾乎都能買到相同的硬件，而軟件往往就成為了工業(yè)機(jī)器人控制器的核心，大部分工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商都有自己獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和工業(yè)機(jī)器人編程語言，很多大學(xué)在工業(yè)機(jī)器人開發(fā)環(huán)境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，可在部分工業(yè)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行集成和控制操作，目前已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

隨著工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的工業(yè)機(jī)器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)機(jī)器人控制器”是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。

下面我們來看看國內(nèi)外各大工業(yè)機(jī)器人控制器品牌的現(xiàn)狀：

ABB

IRC5控制器是ABB研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人控制器，由一個(gè)控制模塊和一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊組成，可選增一個(gè)過程模塊以容納定制設(shè)備和接口，如點(diǎn)焊、弧焊和膠合等。

配備這三種模塊的靈活型控制器完全有能力控制一臺(tái)6軸工業(yè)機(jī)器人外加伺服驅(qū)動(dòng)工件定位器及類似設(shè)備。如需增加工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量，只需為每臺(tái)新增工業(yè)機(jī)器人增裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，還可選擇安裝一個(gè)過程模塊，最多可控制四臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在MultiMove模式下作業(yè)。

各模塊間只需要兩根連接電纜，一根為安全信號傳輸電纜，另一根為以太網(wǎng)連接電纜，供模塊間通信使用，模塊連接簡單易行。

KUKA

KRC4是庫卡開發(fā)的一個(gè)全新的、結(jié)構(gòu)清晰且注重使用開放高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)，這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中集成的所有安全控制（Safety Control）、工業(yè)機(jī)器人控制（Robot Control）、運(yùn)動(dòng)控制（Motion Control）、邏輯控制（Logic Control）及工藝過程控制（Process Control）均擁有相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施并可以對其進(jìn)行智能化使用和分享。使系統(tǒng)具有最高性能、可升級性和靈活性。

KEBA

KEBA并不是工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商，是工業(yè)機(jī)器人控制器行業(yè)為數(shù)不多的非工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商，他的產(chǎn)品是工業(yè)級伺服控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度工業(yè)機(jī)器人的控制，該控制系統(tǒng)中通過VxWorks平臺(tái)或者Windows+RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)保證軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)性，通過運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制單元可以實(shí)現(xiàn)對總線式伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，從而達(dá)到對工業(yè)機(jī)器人的精確控制。

KeMotionr5000系列控制器是一套完整的面向多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件模塊化控制器。硬件包括KeMotion控制器，以及各種外圍模塊組成，它們通過以太網(wǎng)或總線的形式與控制器連接，實(shí)現(xiàn)面向各種應(yīng)用的搭配。

控制系統(tǒng)軟件的核心部分是運(yùn)行在控制器硬件平臺(tái)（x86嵌入式微處理器）上一整套軟件。自底向上的看，首先底層的OS是VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性提供了一個(gè)基礎(chǔ)，同時(shí)也為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行環(huán)境。

發(fā)那科

FANUCRobotR-30iA是發(fā)那科研發(fā)的新一代工業(yè)機(jī)器人控制器，具有性能高，響應(yīng)快，安全性能強(qiáng)等特點(diǎn)。作為唯一集成了視學(xué)功能的工業(yè)機(jī)器人控制器，將大量節(jié)約為實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)所需的周邊設(shè)備成本?；贔ANUC自身軟件平臺(tái)研發(fā)的各種功能強(qiáng)大的點(diǎn)焊、涂膠、搬運(yùn)等專用軟件，在使工業(yè)機(jī)器人的操作變得更加簡單的同時(shí)，也使系統(tǒng)具有徹底免疫計(jì)算機(jī)病毒的功能。

安川

安川開發(fā)的是基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的工業(yè)機(jī)器人控制器，2016年，安川還推出了配備人工智能的機(jī)器人控制，可自動(dòng)設(shè)定焊接條件，高精度預(yù)測機(jī)器人主體的壽命等。將為啟動(dòng)作業(yè)的效率化、縮短機(jī)械障礙時(shí)的停止時(shí)間做出貢獻(xiàn)。

控制器內(nèi)的AI可自行尋找最佳的焊接條件，反映至機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)中。通常在焊接多個(gè)位置時(shí)需要設(shè)定不同的條件，新控制器中的設(shè)定工作部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。在焊接之外，還考慮在涂裝、加工等機(jī)械臂前端動(dòng)作需要進(jìn)行細(xì)微設(shè)定的用途領(lǐng)域應(yīng)用。

新松機(jī)器人

新松是中國工業(yè)機(jī)器人的巨頭，其SIASUN-GRC機(jī)器人控制器具有自主版權(quán)、自主開發(fā)的實(shí)用化、商品化的機(jī)器人控制器，該機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越、系統(tǒng)可靠、使用方便。采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，絕對碼盤檢測和大屏幕漢字示教編程盒等多項(xiàng)最新技術(shù)，形成了先進(jìn)的高性能機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，是國內(nèi)第一個(gè)可商品化的機(jī)器人控制器，具有小批量生產(chǎn)能力。

新時(shí)達(dá)

憑借著在電氣控制領(lǐng)域、伺服器與控制器方面近20年的研發(fā)積累，新時(shí)達(dá)已掌握了機(jī)器人及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，是國產(chǎn)機(jī)器人品牌里自主化率最高的公司之一。據(jù)悉，新時(shí)達(dá)機(jī)器人智能系統(tǒng)中的機(jī)器人本體、控制器、軟件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)均為自主研發(fā)。

廣州數(shù)控

在豐富的機(jī)床數(shù)控技術(shù)積累基礎(chǔ)上，廣州數(shù)控掌握了機(jī)器人控制器、伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)的完全知識產(chǎn)權(quán)，其中GSK-RC是廣州數(shù)控自主研發(fā)生產(chǎn)，具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人控制器。

華中數(shù)控

華中數(shù)控早在1999年就開發(fā)出了華中I型機(jī)器人的控制系統(tǒng)，經(jīng)過近20年的發(fā)展，在控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)這三大核心部件領(lǐng)域均具備較大的技術(shù)優(yōu)勢，CCR系列是華中數(shù)控自主要發(fā)的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

固高科技

固高科技從2001年就開始研發(fā)四軸機(jī)器人控制器，2006年涉足六軸機(jī)器人控制器，是國內(nèi)最早研究機(jī)器人控制器的企業(yè)之一，截止目前，固高控制系統(tǒng)涵蓋了從三軸到八軸各類型號機(jī)器人，其中技術(shù)難度最大的八軸機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

匯川技術(shù)

匯川技術(shù)憑借變頻器和伺服起家，從2013年擴(kuò)展到控制器領(lǐng)域，2014年，匯川技術(shù)推出了基于EtherCAT總線的IMC100機(jī)器人控制器和IS620N總線型絕對值的機(jī)器人專用伺服系統(tǒng)，目前主要針對的市場包括小型六軸、小型SCARA和并聯(lián)機(jī)器人等新興應(yīng)用領(lǐng)域。