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机器人研究院

勃肯特机器人公司六轴并联机器人开发成功

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工业机器人的大脑:控制器

2018-07-24

从“工业机器人”这个名称可以看出,仿生学设计是机器人控制系统的设计初衷。与人相仿,如果想要完成各种动作,仅仅只凭借四肢,是无法实现的,必须还要有肌肉系统、感知系统与大脑的共同作用下,才能够完成,对机器人来说,与之对应的为机械结构、驱动系统、传感器与运动控制器。

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机器人控制器具有以下基本功能:

第一,通过控制执行器经过的路径和点位来控制末端执行器的运用位置;

第二,通过控制相邻构建的位置来控制机械臂的运动姿态;

第三,通过一定时间规律控制执行器运动位置实现运动速度控制;

第四,通过执行器运动速度变化的控制实现运动加速度控制;

第五,通过控制对象施加作用力实现各动力关节的输出转矩;


同时,控制系统可以实现人机交互功能,机器人可以通过记忆和过程重现来完成既定的任务。控制系统为机器人配备力觉、视觉、触觉等传感器,使机器人具备感觉和检测外部环境的功能。

控制器作为工业机器人的大脑,决定了工业机器人的"智慧"程度。


过去二十年,机器人在机械结构方面并没有什么本质改进,但控制技术则跟随半导体,网络,软件等行业技术的发展,日益呈现出智能化、网络化的特征。工业机器人行业的进步,主要是控制器的进步。


器人控制技术涉及到机械、电气、通讯、计算机、软件等多个学科领域,复杂程度较高。现在的实时总线技术可以将机器人控制周期提升到125us级别,并行运动轴数可达128轴以上。多臂冗余机器人和机器视觉技术将运动规划算法的复杂度提升了几个等级,国内运动控制基础研究和计算平台的缺乏,严重制约了机器人控制器的发展。


机器人控制器的研发投入时间和资金都要差很多,因此今天国产机器人不得不面对"无脑"的现状。


机器人控制器作为工业机器人最为核心的零部件之一,对机器人的性能起着决定性的影响,在一定程度上影响着机器人的发展。


目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求,对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。


中国成为全球第一大工业机器人应用市场指日可待,但遗憾的是,我国工业机器人产业发展较晚,受相关技术和加工工艺等因素影响,中国市场上工业机器人基本被以ABB、库卡、发那科和安川四大巨头为主的国外机器人品牌占据着,国产机器人品牌仅占约8%的市场份额。控制器作为工业机器人最为核心的零部件之一,必将受惠工业机器人的快速增长,但作为关键核心零部件的控制器市场,也同样被外企所占据。


工业机器人控制器的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作的时间等。它同时具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。


机器人自由度的高低取决于其可移动的关节数目,关节数愈多,自由度越高,位移精准度也愈出色,然所须使用的伺服电机数量就相对较多;换言之,愈精密的工业型机器人,其内的伺服电机数量愈多,一般每台多轴机器人由一套控制系统控制,也意味着控制器性能要求越高。


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。


近年来,国内运动控制(包括CNC)技术有了较快的发展。一些传统生产数控设备的厂家开始研制具有运动控制特征的产品。为了提高机械设备的生产效率和产品质量,越来越多的机械设备制造厂商开始使用并且逐渐熟悉通用运动控制系统,使得通用运动控制产品在很多原来运用不多的领域开始扩展开来。


同时,部分数控设备厂家进行了机器人专用运动控制产品的开发和行业应用的推广,并逐渐走向成熟和产业化。这类企业以广州数控、广泰数控、埃斯顿等为代表,他们不只开发出来机器人专用的控制系统,而且还借此进入机器人行业,并成为国产机器人企业中的代表。


随着我国制造业市场的全球化,对制造业的技术和装备提出了更高的要求,这给运动控制技术的推广和高水平应用带来了契机。在此背景下,国内逐步成长了一批专注于某一领域机器人研发的新兴企业,如勃肯特机器人科技有限公司,专注并联机器人领域深度耕耘,高度重视自主知识产权,不盲目追逐利益最大,而是追求长远利益,在短短半年之内自主研发第一代运动控制器,且运动控制器在设计之初做了大量方案论证,最终定下的最优控制策略与控制架构具有以下优点:

1、模块化架构,扩展性较强;

2、开放性设计,兼容性较强;

3、全过程研发,自主性较强;

4、生态圈考量,全局性较强;

5、大市场导向,目标性较强;

6、多接口封装,学术性兼备;

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具有以上6大特点的勃肯特第一代并联机器人大脑,虽然还是一个年轻的大脑,但是从诞生之初就站在了巨人的肩膀上,汲取百家之长,对目前已经存在的“机器人大脑疾病”做了充分预防,形成了以市场导向为目标,以客户需求为导向,一颗“大脑”辐射多个应用领域,告别了企业“无脑”的尴尬局面,不断更新迭代,“思考”更多技术瓶颈,打破国外技术垄断。