一、当前研究现状和发展趋势
随着我国制造业市场的全球化，现代科学技术的飞速发展和社会的进步，对工业机器人的性能提出更高的要求。目前，国内现有机器人控制系统存在很多问题，比如：局限于专业的计算机、专业的机器人语言，开放性差，不便于对系统进行扩展和改进；软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，致使软件独立性差，难以应用在不同的系统；由于并行计算机中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，容错性差，其中一个处理器出现故障可能导致整个系统的瘫痪；由于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展；现在所有机器人控制系统都没有网络功能。
现有结构封闭的机器人控制系统已经不能满足生产自动化的要求，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制系统”是当前机器人控制系统的一个发展方向。新型工业机器人控制系统应具有以下特点：
采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要移植到不同的系统；
功能的模块化设计，不同的任务由不同的功能模块实现；
满足实时性、多任务的要求；
具备网络通讯功能，以便于多台机器人协同工作；
直观便捷的人机交互。
二、工业机器人控制系统的技术优势
随着未来智能化的程度越来越高，各机器人本体制造商之间的差异化也将越来越显著，这种差异化最主要体现在控制系统的差异上。与传统的工业机器人控制系统相比，本控制系统具有以下优点：
本系统具有国内首创的6轴以上复杂的机器人控制算法，能够实现多台机器人协同工作。本套算法是将两台以上的机器人的所有运动轴当作一个整体，统一解算，同一控制，真正实现多台机器人在动作上时间与空间的一致性，完美实现多台机器人协同工作，这与现下两台机器人分别由两套系统控制的协同工作有着本质的区别。
本系统采用的基于EtherCat或RTEX等实时高速总线的运动控制器，能够对6轴以上、32轴以下的机器人进行实时复杂的运动控制和采集机器人的所有数据信息。
根据机器人运动反馈的数据信息，本系统利用OpenGL技术，实现了机器人的3D运动仿真。3D运动仿真功能的引入，使得操作员更加方便地进行离线编程和运动程序的调试，实现了直观、便捷、友好、美观的人机交互。
本系统通过高速EtherCat/RTEX总线，以及EtherNet网络进行数据传输，实时反馈机器人运动数据、环境信息，在机器人控制系统中建立仿真的虚拟世界，操作者通过VR设备和可穿戴式操作设备进行操作，使3D仿真与机器人实体同步。
本系统配套我们自主研发的可穿戴式操作设备，能够采集人体手臂动作的信息数据，通过机器人控制系统转换为机器人的控制数据，使得人与机器人的动作同步。
本系统具有一套适合机器人运动控制的编程语言，能够可视化、图形化、智能化的离线编程，使得机器人的控制更加方便、灵活，有利于用户在现有的基础上进行二次开发。
三、工业机器人控制系统的功能详解
机器人控制系统的基本功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机完成动作。下面将介绍本套工业机器人控制系统的功能：
1.同步仿真
机器人控制系统的人机交互主界面具有与机器人本体型号一致的3D模型，如下图所示。
无论是在手动示教控制机器人运动，还是执行自动运动程序，3D模型都会实时仿真运动，与机器人本机保持一致的运动轨迹。3D模型同步运动仿真能够让操作员更直观的观察到机器人的运动轨迹，在规划机器人运动轨迹更加提高工作效率，优化轨迹程序。
同步运动仿真视图的视角可以通过操作视图调整按钮，进行模型视角左调/右调/上调/下调/回到默认位置等调整。视图调整按钮如下图所示。此外，机器人控制系统还支持视图拉动，比如：按下鼠标左键拉动模型，同步仿真3D视图控制视角360°旋转；在模型视图下滑动鼠标滚轮，同步仿真3D视图控制视角放大或缩小-。视图调整功能实现了从不同角度观察机器人的运动轨迹，能够使得操作员及时做出判断，进行示教校准。
2.示教控制
在机器人控制系统中选择示教模式，通过操作按钮对机器人进行运动控制和采集目标点的位置信息。示教模式启动按钮位置控制系统主界面的右上角，进入示教模式后，示教图标会显示为红色。
示教控制模式下，控制系统拥有三种操作方式：基座坐标系、工具坐标系和关节控制。这三种模式可通过示教图标下的图标进行切换。
基座坐标系操作方式是根据基座三维定位关系，对应大地坐标、参照物坐标系进行定位。此模式下，可通过系统主界面下方左右两边的方向按钮控制机器人按照基座坐标系进行运动。
工具坐标系操作方式是根据工具三维定位关系，对应基座、参照物坐标系进行定位。此模式下，可通过系统主界面下方左右两边的方向按钮控制机器人按照工具坐标系进行运动。
关节控制操作方式是手动操作机器人的单关节的旋转运动，方便设定原点校准和设定安全工作点。此模式下，可通过系统主界面下方左右两边的方向按钮控制机器人相对应的关节进行旋转运动。此外，在关节控制模式下，点击附加轴模式图标（位于关节控制图标下）设置（A）图标,可切换到附加轴模式（F），即可对附加轴进行关节控制。
在示教模式下的三种操作方式的控制过程中，可根据实际需要，对工作精度（系统驱动连接的机器人工作精度，分为5个等级）、速度档位（系统驱动连接的机器人工作速度档位开关，分为1-5档）等参数进行调节。
指令编程与轨迹录制
本机器人控制系统的编程方式有两种：指令编程和录制运动轨迹。
本系统的编程语言简单易懂，具有一系列的控制指令，比如：点到点（PTP）、直线（LINE）、三点圆弧（3P-ARC）、三点圆（3P-CIRCULE）、半径圆弧（R-ARC）、曲线（CURVE）、延时（DELY）、跳转（JUMP）、循环（LOOP）、子程序（SUB）等。故在使用指令编辑程序时，只需采集目标轨迹若干点的位置参数，然后选择相应的运动指令，填写参数即可完成运动程序的编程。
下面，举一个指令编程的例子：
录制轨迹功能则是可以在示教模式下，记录机器人移动的每个点的位置数据，在程序里生成所运动的指令代码，实现快速编程，提高编程效率和机器人运动的准确率。
此外，本系统还支持单步指令运行。单步运行的操作方式有两种：
在主界面调试轨迹程序时，可通过单步运行（上一步/下一步）按钮控制机器人执行指令。
2.在编程子页面——MDI指令中，输入目标点的位置参数，确定执行，即可控制机器人运动到目标点。
本系统的编程操作亦支持子程序管理。操作员可将常用的运动轨迹保存为子程序，即可在子程序管理页面进行操作。如需调用子程序，在编辑程序时，添加子程序（SUB）指令，设置子程序ID，即可成功调用。
本系统的编程语言简单友好，容易掌握，大大降低了操作者学习机器人运动编程的难度。在实际编程中，操作员可将指令编程和录制轨迹结合起来一起使用，如此可减少编程的时间，提高工作效率。操作员在调试程序时，可使用单步运行功能，提高优化程序的效率。操作员可将通用的、使用次数多的运动轨迹保存为子程序，如此可避免重复劳动。
4.离线编程与调试
离线状态：机器人控制系统未连接或者未使能伺服驱动器的状态。
在离线状态下，操作员可进入示教模式，控制机器人的3D模型运动，采集目标点数据，编写运动程序。程序编写完成后，亦可进行运动仿真，根据机器人3D模型运动情况，调试和优化运动程序。离线状态下的编程和调试与已使能伺服驱动器状态下的编程和调试相比较，操作步骤基本一致，只是少了连接伺服驱动器这一步骤。
本系统的离线编程与调试功能，能让操作员未连接机器人本体的状态下进行编辑程序和优化程序，避免操作员在实体操作调试出现误操作，影响机器人整体系统的稳定性和威胁到操作员的人身安全。
5.摆振功能
摆振是指机器人工具点形成的振幅动作，通过设定摆幅、点数和方向等参数生成相应的摆振曲线。
在实际工业应用中，例如自动焊接的场景，常需要机器人在焊接的路径中加入摆动地运动的指令。在本系统中，只需要设定摆幅、点数和方向等参数生成相应的摆振曲线吗，然后在添加指令时设置预先保存好的摆振ID，即是实现机器人在走运动轨迹过程中出现摆动运动，满是自动焊接的需要。
6.参数设置
本系统可设置基本参数、机构参数、机电参数、IO设置、寄存器设置、AD/DA设置、工具管理、工具点标定、通讯参数等，能够全方位的调节机器人运动参数。本系统需要配置的参数看起来很多，但很多参数都是默认配置好了的，实际使用时，不需要配置太多的参数，会控制机器运动、编写机器人运动程序即可。
7.手持控制器
本机器人控制系统配备手持控制器，手持控制同样具备示教控制、离线编程与调试、3D模型运动仿真、参数修改等功能。
手持控制器的基本操作逻辑与机器人控制系统软件的操作逻辑基本一致，会使用机器人控制系统软件，就会使用手持控制器去控制机器人运动、编辑运动程序、调试程序等功能，不必要再去学习一次如何使用手持控制器，大大减少了学习本套机器人控制系统的学习时间成本。
(审核编辑: 林静)
