机器人控制系统软硬件平台

工业机器人软硬件平台架构

工业机器人软硬件平台架构的概述

工业机器人的发展历程：

• 1950s-1960s：工业机器人诞生，开始应用于生产线自动化。
• 1970s-1980s：工业机器人技术快速发展，引入新的控制方法和结构设计。
• 1990s-2000s：工业机器人技术不断完善，引入数字化控制和网络通信。
• 21世纪：工业机器人技术快速发展，智能化和人机协同成为重要研究方向。

当前工业机器人的状态：

• 技术不断提高：智能化水平提高，控制精度和运行效率有了显著提高。
• 应用范围不断扩大：工业机器人不仅应用于生产线，还应用于医疗、军事、教育等多个领域。
• 市场需求不断增长：随着全球制造业的发展，工业机器人市场需求也在不断增长。
• 国际竞争加剧：全球工业机器人市场竞争加剧，主要生产国不断加强研发能力。

工业机器人的硬件平台架构

工业机器人的硬件平台架构的构成

• 机器人控制器：负责控制机器人运动和任务执行的核心部件，一般采用 PLC 或 PC 平台。

• 运动控制系统：负责控制机器人的运动，可以是电机驱动系统、伺服系统等。

• 传感器：负责检测机器人环境和自身状态的组件，如光电传感器、加速度计等。

• 输入/输出设备：控制机器人运动和执行任务的输入设备和获取任务执行结果的输出设备，如控制面板、摄像机等。

硬件平台架构的要求：

• 可靠性：机器人硬件系统必须具有高度的可靠性，以保证机器人的稳定运行。

• 实时性：对于工业生产应用，机器人的硬件系统需要具备高的实时性，以保证机器人的快速响应和执行任务的高效率。

• 扩展性：机器人的硬件系统应具有较好的扩展性，方便在未来的生产应用中进行技术升级。

• 维护性：机器人的硬件系统应具有较好的维护性，保证机器人能够在低成本下运营，达到良好的成本效益。

工业级机器人控制器硬件架构一般分为基于工业PC平台的硬件架构和基于嵌入式平台的硬件架构方式。欧系控制器一般使用基于PC平台的硬件架构，日系控制器一般使用基于嵌入式平台的硬件架构。对于国内，新兴机器人控制器厂家一般使用基于PC平台的硬件架构，而有数控背景的厂商一般使用基于嵌入式平台的硬件架构。

基于工业PC平台的硬件架构

基于工业PC平台的硬件架构是指机器人控制系统主cpu及完成核心数字控制（NCK）模块的cpu处理器是使用X86硬件平台。常见的基于工业PC平台的硬件架构控制器有宝元机器人系统、卡诺普机器人控制系统、西格玛泰克机器人控制系统、贝加莱控制器和倍福解决方案。

图1 基于工业PC平台硬件架构的控制器

基于工业PC平台的硬件架构实现方式有所不同，又可划分为一体化的实现方式和分布式实现方式，一体化的方式示人机交互接口程序HMI和NCK、PLC模块共享一个X86平台，分布式的方式示教器人机交互接口程序HMI独占一个X86处理器/或嵌入式平台，通过TCP/IP、RS485等通讯与NCK、PLC模块进行数据通讯。

图2 一体化实现方式1

图3 一体化实现方式2  图4 分布式实现方式2

基于嵌入平台的硬件架构

基于嵌入式平台的硬件架构是指机器人控制系统主CPU采用ARM或DSP硬件平台。由于受限于嵌入式平台CPU计算能力的限制，一般采用分布式结构。

图5 嵌入式平台的硬件架构1

图6 嵌入式平台的硬件架构2

工业机器人的软件平台架构

工业机器人的软件平台架构的构成

• 操作系统：包括适用于工业环境的实时操作系统（RTOS）和基于PC的操作系统，例如Windows。

• 驱动软件：与机器人硬件相关的驱动软件，包括电机驱动器、传感器和接口板的驱动程序。

• 机器人控制软件：包括运动控制、任务规划、机器人视觉等功能的软件。

• 应用软件：用于实现特定任务的应用软件，例如点胶、拧螺丝、焊接等。

工业机器人的软件平台架构的要求

• 可靠性：在工业环境中，软件平台需要具有高可靠性和稳定性，以保证机器人正常运行。

• 可编程性：软件平台需要支持多种编程语言，以方便开发人员开发应用软件。

• 可扩展性：软件平台需要具有良好的可扩展性，以满足随着业务的发展而不断增加的需求。

• 可维护性：软件平台需要具有良好的可维护性，以方便维护人员对其进行维护和升级。

工业机器人运动控制系统

工业机器人运动控制系统的构成

• 控制器：主要负责对机器人的运动进行控制，并协调其他部件的工作。常见的控制器包括PLC（可编程逻辑控制器）和PC-based控制器。

• 传感器：主要用于检测机器人的位置和状态，以便控制器对其进行控制。常见的传感器包括编码器，加速度计和位置传感器。

• 驱动器：主要负责驱动机器人的电机，使其进行运动。常见的驱动器包括步进电机驱动器和伺服电机驱动器。

• 电机：主要用于驱动机器人的运动，并反馈位置信息。常见的电机包括步进电机和伺服电机。

工业机器人运动控制系统的要求

实时性：运动控制系统必须具有足够高的实时性，以保证机器人的运动顺畅和稳定。

精度：运动控制系统必须具有足够高的精度，以保证机器人的运动准确。

可靠性：运动控制系统必须具有较高的可靠性，以保证机器人长期可用性。

机器人控制器软件架构方式

欧美普遍采用基于PLCopen的软件架构，日系普遍采用基于CNC的软件架构。

图7 基于PLCopen的软件架构

图7 基于CNC的软件架构

图8 人机交互-PLC运行环境-NCK三大模块

NCK模块

NCK（数字控制核心），国内习惯称为运动库或运动算法库，数字控制核心（NCK）是机器人运动控制器中的重要部分，负责执行机器人运动控制算法。NCK处理接收到的运动指令，并将其转化为机器人执行的运动。它是机器人运动控制器的核心，负责实现对机器人的精确控制和监控。数字控制核心（NCK）是机器人运动控制系统中一种重要的控制单元。NCK的主要特点包括：

1.高速运算能力：NCK通常采用专用的计算机硬件，能够高效处理大量的数据和运算。

2.实时性：NCK可以在毫秒级别的时间内完成数据处理和控制任务，保证机器人运动的实时性。

3.精确控制：NCK可以精确控制机器人的运动，实现复杂的运动轨迹。

4.可编程性：NCK支持多种编程语言，可以根据用户需求实现自定义的控制算法。

工业机器人的软硬件平台架构的未来

工业机器人的软硬件平台架构的发展趋势包括：

• 云计算和物联网的普及：工业机器人的软硬件平台正在向云计算和物联网融合发展，以实现远程监控和控制。

• 深度学习和人工智能的应用：工业机器人的软件平台正在向深度学习和人工智能方向发展，以提高工业机器人的智能水平和应用范围。

• 模块化设计和系统集成：工业机器人的软硬件平台正在向模块化设计和系统集成方向发展，以简化开发流程和提高系统稳定性。

• 安全性和可靠性的提高：工业机器人的软硬件平台正在重视安全性和可靠性的提高，以确保工业机器人的安全运行和高效生产。

这些趋势将带来工业机器人的更高智能、更高效率、更低成本和更安全的应用，并在未来的工业生产中发挥更重要的作用。

结论

工业机器人的软硬件平台架构是影响工业机器人性能和效率的重要因素。良好的软硬件平台架构可以帮助工业机器人更加稳定和高效地完成工作，提高生产效率。正确的软硬件配置还可以提高工业机器人的灵活性和可靠性，使其能够更好地适应不断变化的生产环境。

同时，工业机器人的软硬件平台架构还可以影响工业机器人的安全性和维护成本。如果软硬件平台架构不合适，工业机器人可能出现故障或安全隐患，需要大量的维护和维修费用。因此，选择适当的软硬件平台架构对于确保工业机器人的高效运行和长期使用是非常重要的。

参考文献

[1] 工业机器人控制系统的设计: https://www.aiimooc.com/mall/preshow-htm-itemid-228.html

[2] chatGPT