【工業機器人】關於工業機器人控制系統，這幾方面內容你必須掌握；如何將工業機器人與數控機床融合應用？

什麼是機器人控制系統？

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢還是不能動作。一方面是因為來自感官的訊號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發出神經訊號，驅使肌肉發生收縮或舒張。同樣，如果機器人只有感測器和驅動器，機械臂也不能正常工作。原因是感測器輸出的訊號沒有起作用，驅動電動機也得不到驅動電壓和電流，所以機器人需要有一個控制器，用硬體坨和軟體組成一個的控制系統。

機器人控制系統的功能是接收來自感測器的檢測訊號，根據操作任務的要求，驅動機械臂中的各臺電動機就像我們人的活動需要依賴自身的感官一樣，機器人的運動控制離不開感測器。機器人需要用感測器來檢測各種狀態。機器人的內部感測器訊號被用來反映機械臂關節的實際運動狀態，機器人的外部感測器訊號被用來檢測工作環境的變化。

所以機器人的神經與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統。

機器人的運動控制系統包含哪些方面？

執行機構----伺服電機或步進電機；

驅動機構----伺服或者步進驅動器；

控制機構----運動控制器，做路徑和電機聯動的演算法運算控制；

控制方式----有固定執行動作方式的，那就編好固定引數的程式給運動控制器；

如果有加視覺系統或者其他感測器的，根據感測器訊號，就編好不固定引數的程式給運動控制器。

機器人控制系統的基本功能

1.控制機械臂末端執行器的運動位置（即控制末端執行器經過的點和移動路徑）；

2.控制機械臂的運動姿態（即控制相鄰兩個活動構件的相對位置）；

3.控制運動速度（即控制末端執行器運動位置隨時間變化的規律）；

4.控制運動加速度（即控制末端執行器在運動過程中的速度變化）；

5.控制機械臂中各動力關節的輸出轉矩：（即控制對操作物件施加的作用力）；

6.具備操作方便的人機互動功能，機器人通過記憶和再現來完成規定的任務；

7.使機器人對外部環境有檢測和感覺功能。工業機器人配備視覺、力覺、觸覺等感測器進行測量、識別，判斷作業條件的變化。

工業機器人控制系統

1、工業機器人控制系統硬體結構

控制器是機器人系統的核心，國外有關公司對我國實行嚴密封鎖。近年來隨著微電子技術的發展，微處理器的效能越來越高，而價格則越來越便宜，目前市場上已經出現了1-2美金的32位微處理器。高價效比的微處理器為機器人控制器帶來了新的發展機遇，使開發低成本、高效能的機器人控制器成為可能。為了保證系統具有足夠的計算與儲存能力，目前機器人控制器多采用計算能力較強的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等晶片組成。

此外，由於已有的通用晶片在功能和效能上不能完全滿足某些機器人系統在價格、效能、整合度和介面等方面的要求，這就產生了機器人系統對SoC（Systemon Chip）技術的需求，將特定的處理器與所需要的介面整合在一起，可簡化系統外圍電路的設計，縮小系統尺寸，並降低成本。

例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理器核心整合在其FPGA產品上，形成了一個完整的SoC系統。在機器人運動控制器方面，其研究主要集中在美國和日本，並有成熟的產品，如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以DSP技術為核心，採用基於PC的開放式結構。

2、工業機器人控制系統體系結構

在控制器體系結構方面，其研究重點是功能劃分和功能之間資訊交換的規範。在開放式控制器體系結構研究方面，有兩種基本結構，一種是基於硬體層次劃分的結構，該型別結構比較簡單，在日本，體系結構以硬體為基礎來劃分，如三菱重工株式會社將其生產的PA210可攜帶式通用智慧臂式機器人的結構劃分為五層結構；另一種是基於功能劃分的結構，它將軟硬體一同考慮，其是機器人控制器體系結構研究和發展的方向。

3、控制軟體開發環境

在機器人軟體開發環境方面，一般工業機器人公司都有自己獨立的開發環境和獨立的機器人程式語言，如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公司、瑞典的ABB公司等。

很多大學在機器人開發環境(Robot Development Environment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放原始碼，可在部分機器人硬體結構下進行整合和控制操作，目前已在實驗室環境下進行了許多相關實驗。國內外現有的機器人系統開發環境有Team Bots，v.2.0e、ARIA，V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、Mission Lab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、Flow Designer.v.0.9.0、Robot Flow.v.0.2.6等等。

從機器人產業發展來看，對機器人軟體開發環境有兩方面的需求。一方面是來自機器人終端使用者，他們不僅使用機器人，而且希望能夠通過程式設計的方式賦予機器人更多的功能，這種程式設計往往是採用視覺化程式語言實現的，如樂高Mind Storms NXT的圖形化程式設計環境和微軟Robotics Studio提供的視覺化程式設計環境。

4、機器人專用作業系統

（1）VxWorks，VxWorks作業系統是美國Wind River公司於1983年設計開發的一種嵌入式實時作業系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微核心結構；高效的任務管理；靈活的任務間通訊；微秒級的中斷處理；支援POSIX1003．1b實時擴充套件標準；支援多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網路協議等。

（2）Windows CE，Windows CE與Windows系列有較好的相容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優勢。WindowsCE為建立針對掌上裝置、無線裝置的動態應用程式和服務提供了一種功能豐富的作業系統平臺，它能在多種處理器體系結構上執行，並且通常適用於那些對記憶體佔用空間具有一定限制的裝置。

（3）嵌入式Linux，由於其原始碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用。其中大部分都遵從GPL，是開放原始碼和免費的。可以稍加修改後應用於使用者自己的系統。有龐大的開發人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。支援的硬體數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux並無本質區別，PC上用到的硬體嵌入式Linux幾乎都支援。而且各種硬體的驅動程式原始碼都可以得到，為使用者編寫自己專有硬體的驅動程式帶來很大方便。

（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的原始碼公開的實時核心，是專為嵌入式應用設計的，可用於8位，16位和32位微控制器或數字訊號處理器（DSP）。它的主要特點是公開原始碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、佔先式核心、可確定性等。

（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺所設計開發的一個尺寸可裁剪的實時多工作業系統核心，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成：多執行緒實時核心；實時分析工具；晶片支援庫。利用實時作業系統開發程式，可以方便快速的開發複雜的DSP程式。

5、機器人伺服通訊匯流排技術

目前國際上還沒有專用於機器人系統中的伺服通訊匯流排，在實際應用過程中，通常根據系統需求，把常用的一些匯流排，如乙太網、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用於機器人系統中。當前大部分通訊控制匯流排可以歸納為兩類，即基於RS-485和線驅動技術的序列匯流排技術和基於實時工業乙太網的高速序列匯流排技術。

智慧機器人控制系統

1.開放性模組化的控制系統體系結構：採用分散式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、感測器處理板和程式設計示教盒等。機器人控制器(RC)和程式設計示教盒通過串列埠/CAN匯流排進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、感測器處理等功能，而程式設計示教盒完成資訊的顯示和按鍵的輸入。

2.模組化層次化的控制器軟體系統：軟體系統建立在基於開源的實時多工作業系統Linux上，採用分層和模組化結構設計，以實現軟體系統的開放性。整個控制器軟體系統分為三個層次：硬體驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發，系統中各個層次內部由若干個功能相對對立的模組組成，這些功能模組相互協作共同實現該層次所提供的功能。

3.機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種資訊，對機器人故障進行診斷，並進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。

4.網路化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發展，機器人控制器的聯網技術變得越來越重要。控制器上具有串列埠、現場匯流排及乙太網的聯網功能。可用於機器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便於對機器人生產線進行監控、診斷和管理。

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來源：全球智造

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如何將工業機器人與數控機床融合應用？

隨著我國裝備製造業轉型升級，在市場需求和技術進步雙重作用下，近幾年來工業機器人與數控機床整合應用發展很快，應用的形式不斷擴充套件，對當前機床智慧化潮流帶來新的促動，對我國機床工具行業的轉型升級也必將起到有益的推動作用。

鑑於機器人研製以及與機床整合應用的發展現狀，相關企業應如何建立有效的組織聯絡機制，以加強溝通與合作，兩個行業融合發展該建立怎樣的技術規範與標準，以充分做到資源共享與優勢互補，並形成產業發展的合力！

機器人產業正迎來黃金髮展機遇期，如何推動工業機器人產業和機床工具產業的融合發展，如何做到工業機器人與數控機床的互為整合應用，已成為當前現代裝備製造業產業升級的重要話題。

機床製造過程中許多崗位主要依賴工人的體力和技能，生產效率低、勞動強度大、缺少熟練技工人才，難以保障產品穩定性和一致性，促使機床行業越來越多地採用工業機器人及智慧製造技術來改造傳統工藝流程。以往，昂貴的進口機器人和生產線主要在汽車等少數行業使用，在機床行業等裝備製造業領域應用比例偏低，很大程度上制約著國內機床行業自動化程度的提高。

1兩大產業現狀

經過“十一五”、“十二五”兩個五年計劃，十年磨一劍，中國數控機床產業發展已進入中檔規模產業化、高檔小批量生產的階段，產業整體水平基本具備國際競爭力。數控系統作為數控機床的控制大腦，國產數控系統廠家已經掌握了五軸聯動、小線段插補、動態誤差補償等控制技術，也研製出高效能、大功率伺服驅動裝置，自主研發促進技術創新與進步，也萌生了工業機器人產業的雛形，催長產業發展。

當前，數控系統研製企業、機床整機企業、自動化應用整合商，甚至房地產資本大鱷們，都在嘗試進入機器人領域，掀起了一股機器人產業投資熱。讓人擔慮的是，政策過度引導帶來的“圈地套惠”、產業過度投資帶來的產能過剩、缺乏創新驅動帶來的低端同質化競爭等，都將把機器人產業帶入無序發展。值得思考的是，什麼樣的企業最適合研製工業機器人？

如何提升機器人產業的整體質量？總的來說，具有數控系統的基礎，控制系統、伺服電機、伺服控制系統都能夠批量生產的企業具有一定優勢。日本FUNAC公司的產業推進路線，就是一個成功的典型案例，值得借鑑與參考。

國內已有幾家數控系統企業紛紛進入工業機器人產業，走在最先的廣州數控，自2006年起規劃研製工業機器人產業，已走過8個年頭。藉助自身控制器、伺服驅動、伺服電機產品生產積累的經驗，已完成工業機器人系列化的全自主開發，產品覆蓋了3~200kg，功能包括搬運、機床上下料、焊接、碼垛、塗膠、打磨拋光、切割、噴塗、分揀、裝配等。

隨著用工成本上漲、技能人才缺少、高危環保、高強度作業等問題的凸顯，工業機器人蔘與生產製造已被廣泛認知和不斷使用，成為社會關注的焦點。政府更是藉此促進產業轉型升級，企業用其開展技術改造，轉變生產方式，提高作業效能。然而，中國的機器人保有量不大，民族品牌尚在培育中，綜合競爭力有待提升。那麼，機器人行業將以什麼樣的模式向前發展？筆者認為，現階段更需要機器人整機企業、機器人關鍵部件供應商、機器人整合商產業鏈的協同發展。  

2機器人與數控機床融合的整合方式

在數控機床加工應用領域，本土機床上下料機器人與數控機床的融合應用已在先端發展之列。從行業應用層次來看，也發生較大改變：

（1）工作島：單對單聯動機加、單對多聯機加工。

（2）柔性製造系統（FMS）：基於網路控制的柔性機加線，應用PLC控制平臺，通過工業乙太網匯流排方式，將多臺機器人、多臺數控機床及其輔助裝置進行聯網組線，按節拍進行有序自動生產。

（3）數字化車間：藉助CAD\CAM\CAPPS\MES輔助生產工具、物流技術及感測技術，具備生產過程監控、線上故障實時反饋、加工工藝資料管理、刀具資訊管理、裝置維護資料管理、產品資訊記錄等功能，滿足無人化加工需求，實現加工系統的生產計劃、作業協調整合與優化執行。

（4）智慧工廠：藉助智慧化車間佈局和ERP資訊化管理系統，將最大限度地給傳統生產方式帶來革新。資訊管理系統的資料庫可以通過閘道器與各種外部的資訊系統進行介面，將車間接入ERP系統，查詢車間生產狀態，實現企業資源的高效配置；藉助其簡訊平臺、郵件平臺，可以向管理員進行裝置故障、生產進度等資訊的實時彙報。

3工業機器人與數控機床融合發展的途徑

1.加工製造方面

機器人蔘與機床結構件加工製造以實現自動化，專用機床服務於機器人專用減速機的精密加工，提升加工工藝質量及批量生產效率等等，具有很大的融合發展空間。藉助雙方企業的戰略合作，機器人企業可藉助機床廠家的製造與工藝技術能力實現以下目標：

（1）面向機器人的本體鑄件、減速機結構件，共同研究形成批量精密製造技術，提高機器人批量化生產能力和工藝水平，攻克可靠性、一致性技術，實現高效、穩定、精密的節拍生產。

（2）面向機器人工裝、夾具，機加生產線的整合能力，藉助各大機床廠的廣大終端客戶渠道資源，委託推廣應用機器人。

（3）研發面向機床單機及生產線上下料和零部件搬運、鏟刮、倒角、拋磨、焊接、噴塗（粉）等自動化、柔性化生產急需的工業機器人，機床企業與工業機器人企業共同研製，實現整機零部件的自動加工，推動機床生產製造技術水平提升。

（4）工業機器人機械本體的關鍵零部件，如轉盤、大臂、箱體、支撐套、小臂、腕體等，尺寸精度和形位公差均要求較高，對機械加工裝置、工裝夾具、量檢具等都有很高的要求；機器人減速器的擺線齒殼、行星針輪、偏心軸及行星架等關鍵零件的結構優化和加工，目前國內的加工裝置、裝配工藝、精度檢測等還難以達到。但立足使用國產數控機床及工具裝置完成相關加工，則有助於提高我國高階精密機械零部件設計及加工水平，促進國產數控裝置與國產數控機床的應用和發展。

2.在整合應用方面

機床上下料機器人實現機加柔

性生產線將是便捷有效的推廣方式。國內數控機床保有量約200萬臺，機器人企業首推應用機床上下料柔性機加生產線，將會有很大的市場需求，並且也有利於助推機床製造、機器人等機械零部件走向自動化、數字化、網路化的生產方式，可實現過程智慧控制、資訊化管理，能提高生產效率與產品質量，提高工藝管理水平，直至推動裝備製造業的整體水平提升。例如，廣州數控與大連機床、寶雞機床等機床廠家形成戰略合作關係，共同研發機器人專用加工機床、加工工藝技術應用、機器人機加自動柔性生產應用等專案，促進了雙方互相融入各自產業應用。

國產機器人和機床工具行業與國際先進水平存在差距，尤其作為新興產業的工業機器人，起步晚於國內機床產業，無論製造工藝水平、控制系統，還是整合應用經驗；無論技術標準成熟度，還是專業人才擁有程度，都制約當前的發展速度，尚需在摸索中尋求進步。但我們相信，兩者的深度融合，對於提高中國裝備製造業的綜合競爭力具有重大意義。

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來源：大牛數控社群

人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧）分支用來的今天，企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中，利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量，實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。

AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能，而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務和資料+分析一體化，這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合，沒有顛覆現狀的意願，這些將不可能實現。

領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量，領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位：

1. 重新行業佈局：你的世界觀要怎樣改變才算足夠？你必須對行業典範進行怎樣的反思？

2. 重新構建企業：你的企業需要做出什麼樣的變化？你準備如何重新定義你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成為怎樣的人？要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位，你必須如何去做？

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺，設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端，可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系，實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉，形成了領導力模式，使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置：

1. 精細：這種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切，進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

2. 智慧：模型隨著時間（資料）的變化而變化，整個系統就具備了智慧（自學習）的能力。

3. 高效：企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力，這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

4. 不確定性：數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗，其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域：技術、文化、制度。

5. 邊界模糊：數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化，還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長：

1. 創造虛擬勞動力，承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務，即“智慧自動化”，以區別於傳統的自動化解決方案；

2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升，提高資本效率；

3. 人工智慧的普及，將推動多行業的相關創新，開闢嶄新的經濟增長空間。

給決策制定者和商業領袖的建議：

1. 超越自動化，開啟新創新模式：利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧，為企業創造新商機；

2. 迎接新一代資訊科技，迎接人工智慧：無縫整合人類智慧與機器智慧，重新

   評估未來的知識和技能型別；

3. 制定道德規範：切實為人工智慧生態系統制定道德準則，並在智慧機器的開

   發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐；

4. 重視再分配效應：對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備，制定戰略幫助面臨

   較高失業風險的人群；

5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力：員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說，創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧，像君子一般融合，一起體現科技就是生產力。

如果說上一次哥倫布地理大發現，擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現，擴充的就是人們的數字空間。在數學空間，建立新的商業文明，從而發現新的創富模式，為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算，大資料、物聯網和區塊鏈，是進入這個數字空間的船，而人工智慧就是那船上的帆，哥倫布之帆！

新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力，將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節，形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求，催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革，深刻改變人類生產生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。

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產業智慧官  AI-CPS

用“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧），在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧；實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈。

長按上方二維碼關注微信公眾號： AI-CPS，更多資訊回覆：

新技術：“雲端計算”、“大資料”、“物聯網”、“區塊鏈”、“人工智慧”；新產業：“智慧製造”、“智慧金融”、“智慧零售”、“智慧駕駛”、“智慧城市”；新模式：“財富空間”、“工業網際網路”、“資料科學家”、“賽博物理系統CPS”、“供應鏈金融”。

官方網站：AI-CPS.NET

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