工业机器人控制器研究现状

导读  

控制器是工业机器人的三大核心零部件之一，也是工业机器人的大脑，它的好坏直接决定了机器人性能的优劣，因此，不管是ABB、KUKA，还是新松、新时达等国内外各大工业机器人供应商都不约而同地把控制器的主导权掌握在自己手中。

工业机器人的发展目标，即开发满足用户需求的工业机器人系统集成技术、主机设计技术及关键零部件制造技术，突破一批核心技术和关键零部件，提升量大面广主流产品的可靠性和稳定性指标，在重要工业制造领域推进工业机器人的规模化示范应用。

作为全球最大的工业机器人市场，中国的工业机器人需求约占全球三分之一左右。在巨大的需求刺激以及国家政策的支持下，中国工业机器人产业也得到了长足的发展，根据相关统计资料显示，2017年1-11月，中国工业机器人累计产量11.817万台，跟去年同比增长68.8%，是增长最快的产品之一。

在此背景之下，工业机器人控制器也实现了爆发式增长。据预测，2017年机器人控制器市场规模达8.78亿元。控制器、软件与本体一样，一般由机器人厂家自主设计研发。

目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此，控制器的市场份额基本和机器人保持一致，国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。

工业机器人控制器研究现状

随着微电子技术的快速发展，为处理器的性能越来越高，价格越来越便宜。高性价比的微处理器使得开发低成本、高性能的工业机器人控制器成为可能。

为了保证系统具有足够的计算与存储能力，目前工业机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。

此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些工业机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求，这就产生了工业机器人系统对SoC（SystemonChip）技术的需求，将特定的处理器与所需要的接口集成在一起，可简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，并降低成本。

目前国际上还没有专用于工业机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中，通常根据系统需求，把常用的一些总线，如以太网、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于工业机器人系统中。

在控制器体系结构方面，其研究重点是功能划分和功能之间信息交换的规范。在开放式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构，一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单，在日本，体系结构以硬件为基础来划分，如三菱重工株式会社将其生产的PA210可携带式通用智能臂式工业机器人的结构划分为五层结构；另一种是基于功能划分的结构，它将软硬件一同考虑，其是工业机器人控制器体系结构研究和发展的方向。

由于硬件大多都是外购，工业机器人供应商几乎都能买到相同的硬件，而软件往往就成为了工业机器人控制器的核心，大部分工业机器人供应商都有自己独立的开发环境和工业机器人编程语言，很多大学在工业机器人开发环境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多开放源码，可在部分工业机器人硬件结构下进行集成和控制操作，目前已在实验室环境下进行了许多相关实验。

随着工业机器人控制技术的发展，针对结构封闭的工业机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化工业机器人控制器”是当前工业机器人控制器的一个发展方向。

下面我们来看看国内外各大工业机器人控制器品牌的现状：

ABB

IRC5控制器是ABB研发的工业机器人控制器，由一个控制模块和一个驱动模块组成，可选增一个过程模块以容纳定制设备和接口，如点焊、弧焊和胶合等。

配备这三种模块的灵活型控制器完全有能力控制一台6轴工业机器人外加伺服驱动工件定位器及类似设备。如需增加工业机器人的数量，只需为每台新增工业机器人增装一个驱动模块，还可选择安装一个过程模块，最多可控制四台工业机器人在MultiMove模式下作业。

各模块间只需要两根连接电缆，一根为安全信号传输电缆，另一根为以太网连接电缆，供模块间通信使用，模块连接简单易行。

KUKA

KRC4是库卡开发的一个全新的、结构清晰且注重使用开放高效数据标准的系统架构，这个系统架构中集成的所有安全控制（Safety Control）、工业机器人控制（Robot Control）、运动控制（Motion Control）、逻辑控制（Logic Control）及工艺过程控制（Process Control）均拥有相同的数据基础和基础设施并可以对其进行智能化使用和分享。使系统具有最高性能、可升级性和灵活性。

KEBA

KEBA并不是工业机器人生产商，是工业机器人控制器行业为数不多的非工业机器人生产商，他的产品是工业级伺服控制系统，能够实现多自由度工业机器人的控制，该控制系统中通过VxWorks平台或者Windows+RTX实时扩展平台保证软件运行环境的实时性，通过运动规划和运动控制单元可以实现对总线式伺服驱动器的控制，从而达到对工业机器人的精确控制。

KeMotionr5000系列控制器是一套完整的面向多轴运动控制系统软硬件模块化控制器。硬件包括KeMotion控制器，以及各种外围模块组成，它们通过以太网或总线的形式与控制器连接，实现面向各种应用的搭配。

控制系统软件的核心部分是运行在控制器硬件平台（x86嵌入式微处理器）上一整套软件。自底向上的看，首先底层的OS是VxWorks实时操作系统，这为系统的实时性和可靠性提供了一个基础，同时也为应用软件提供运行环境。

发那科

FANUCRobotR-30iA是发那科研发的新一代工业机器人控制器，具有性能高，响应快，安全性能强等特点。作为唯一集成了视学功能的工业机器人控制器，将大量节约为实现柔性生产所需的周边设备成本。基于FANUC自身软件平台研发的各种功能强大的点焊、涂胶、搬运等专用软件，在使工业机器人的操作变得更加简单的同时，也使系统具有彻底免疫计算机病毒的功能。

安川

安川开发的是基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的工业机器人控制器，2016年，安川还推出了配备人工智能的机器人控制，可自动设定焊接条件，高精度预测机器人主体的寿命等。将为启动作业的效率化、缩短机械障碍时的停止时间做出贡献。

控制器内的AI可自行寻找最佳的焊接条件，反映至机器人的实际作业中。通常在焊接多个位置时需要设定不同的条件，新控制器中的设定工作部分实现了自动化。在焊接之外，还考虑在涂装、加工等机械臂前端动作需要进行细微设定的用途领域应用。

新松机器人

新松是中国工业机器人的巨头，其SIASUN-GRC机器人控制器具有自主版权、自主开发的实用化、商品化的机器人控制器，该机器人控制器设计合理、技术先进、性能优越、系统可靠、使用方便。采用交流伺服驱动，绝对码盘检测和大屏幕汉字示教编程盒等多项最新技术，形成了先进的高性能机器人控制系统。该系统的整体性能已达到国际先进水平，是国内第一个可商品化的机器人控制器，具有小批量生产能力。

新时达

凭借着在电气控制领域、伺服器与控制器方面近20年的研发积累，新时达已掌握了机器人及运动控制技术，是国产机器人品牌里自主化率最高的公司之一。据悉，新时达机器人智能系统中的机器人本体、控制器、软件系统、驱动控制系统均为自主研发。

广州数控

在丰富的机床数控技术积累基础上，广州数控掌握了机器人控制器、伺服驱动、伺服电机的完全知识产权，其中GSK-RC是广州数控自主研发生产，具有独立知识产权的机器人控制器。

华中数控

华中数控早在1999年就开发出了华中I型机器人的控制系统，经过近20年的发展，在控制器、伺服驱动器和电机这三大核心部件领域均具备较大的技术优势，CCR系列是华中数控自主要发的机器人控制系统。

固高科技

固高科技从2001年就开始研发四轴机器人控制器，2006年涉足六轴机器人控制器，是国内最早研究机器人控制器的企业之一，截止目前，固高控制系统涵盖了从三轴到八轴各类型号机器人，其中技术难度最大的八轴机器人控制系统已经可以实现批量生产。

汇川技术

汇川技术凭借变频器和伺服起家，从2013年扩展到控制器领域，2014年，汇川技术推出了基于EtherCAT总线的IMC100机器人控制器和IS620N总线型绝对值的机器人专用伺服系统，目前主要针对的市场包括小型六轴、小型SCARA和并联机器人等新兴应用领域。