工业机器人的机器人设计，集成控制和软件架构

工业机器人的软件架构，自动工作单元的“大脑”，使机器人能够快速，重复，准确地执行分配的任务。

“机器人是关于应用的要求，例如REACH，SPEED，PORDLOAD，惯性，关节旋转和性能。机器人看起来不同，因为它们可以用于许多不同的应用程序，“克劳德Dinsmoor，物料处理总经理FANUC机器人美国公司(密歇根州罗切斯特山)。“软件和控件通常有一个基线架构，但在其之上有一个针对应用程序的内置独特架构。”

随着计算能力的提高和软件变得越来越复杂，机器人的设计架构不断发展，以保持机器人固有的灵活性。

硬件+软件=机器人
ABB机器人公司(密歇根州奥本希尔斯)的汽车技术经理尼古拉斯·亨特说，机器人的任务决定了它的设计和结构。“大多数应用程序是由一些软件特性驱动的，有时还伴随着硬件支持。(集成商)通过正常的互动和特定的市场研究来了解客户的需求，”亨特说。“对于创造或支持新应用程序或新方法的技术，客户既是驱动者(拉动市场)，也是采用者(推动市场)。”新的软件体系结构反映了这些新的和创新的工业机器人由终端用户部署的方式。

同样，Erik Nieves，技术总监Yaskawa America Inc.的Motoman Robotics部门（迈阿密堡，俄亥俄州）说，“机器人软件架构是关于性能和用户界面。机器的性能必须保持应用所需的准确性。该软件必须将必要的技术集成为有效。“

Nieves继续说道:“应用程序驱动着机械手的界面，这可能是独一无二的。然而，运动学的软件内核在所有应用程序中都是通用的，但最终用户与机器人的界面是由应用程序驱动的。”

NIEVE CITES示例说明了他的观点。“码垛系统的最终用户不希望查看为点焊应用程序保留的软件功能。这两个应用程序都可以使用控制机器人实际运动的相同软件，但图形用户界面必须是特定于应用程序的。绘画系统的应用层将全部关于喷射速率，喷嘴和速度。下一个工作单元中的机器人可能是分配粘合剂，所以即使软件与绘画工作单元相同，也会具有不同的图形用户界面。“

Dinsmoor用个人电脑的操作系统做了一个类比。“在应用程序层面上，软件架构往往是非常独特的。每个应用程序都有一个公共的基础架构，有点像个人计算机的操作系统，它给计算机提供了一个功能级别。然后，软件逐渐转向应用领域，如Excel、Word或Outlook。”Dinsmoor说，机器人的软件架构类似于“机器人在工厂里解决问题。机器人制造商驱动具有与应用相匹配的功能的机器人软件架构无缝。“

最终用户呼吁标准化的工业机器人，但销售和工程机器人集团总监Samir Patel表示，对特定于应用的机器的需求正在上升川崎机器人（美国）公司（Wixom，密歇根州）。“特殊应用的示例包括高精度和高刚性加工机器人。具有较高灵敏度的机器人和具有独特链接和联合配置的机器人符合晶圆处理，汽车体传输，非破坏性测试，限制区域焊接和码垛的特定应用需求。“

罗伯特·利特尔，首席执行官ATI工业自动化（Apex，北卡罗来纳州）工具更换器制造商，有类似的标准机器人和软件架构。“我看到一个趋势迈向更多的平整，但技术推进如此迅速，最终用户不会留在一个系统中。工具更换器具有控制模块。我们设计的第一个工具更换器使用DeviceNet，这是几家公司的标准。DeviceNet在过去的15年里演变，但公司已经迈向以太网或Profinet。“

Little补充说:“标准平台可以从供应商那里公开实现，最终用户知道它们是如何操作的，这有助于它们标准化。通用性增加了工具供应商的复杂性，但降低了机器人的复杂性。”

Robot Software Architecture已经发展并继续这样做，John Dulchinos，总裁兼首席执行官John Dulchinos表示熟练的技术公司。（Pleasanton，加利福尼亚州）。“通过20世纪90年代的机器人和2000年初被视为制造业宇宙的中心，并且许多最终用户希望使机器人控制器吸收工作单元内的所有控制功能。预计控制员将在管理整个工作单元的架构方面承担广泛的作用。“

Dulchinos表示，机器人控制器已经成熟，并建立了植物广泛的软件和控制架构，例如Allen-Bradley或Siemens可编程逻辑控制器（PLC）。“最终用户要求我们如何更有效地将其机器人连接到这些架构，而不是拥有机器人在工厂中的更大和更大的角色。”

杜尔奇诺斯表示，无论是罗克韦尔公司还是西门子公司，机器人软件和控制架构都可以无缝接入PLC架构。“机器人与当今的制造工厂标准完全吻合。控制装置变得小得多，因此可以安装在机器人的基座上，而在工厂中使用的价值要低得多。将控制架构功能直接集成到机器人中，可以降低成本，提高空间效率，并允许高速网络，如以太网I/P、火线或USB直接连接到plc或个人电脑。”

个人电脑
使用无处不在的个人计算机作为机器人控制器提供最终用户的优缺点。

“搁置计算机硬件可用作机器人控制器。狩猎解释说，消费者可用的最新电脑比在大多数机器人控制器中使用的电脑更快。““这个问题足以满足环境。机器人公司花费很多时间和金钱证明了他们的硬件和软件解决方案，以满足安全性和鲁棒性。当您的个人电脑崩溃时，两吨铁臂摇摆下来并取出您的起居室墙壁？这种可能性在设计系统时暂停机器人制造商。“

杜尔奇诺斯同意亨特的分析。“个人电脑并不是被设计成实时、高性能的操作系统，而是高度重视鼠标、键盘任务和显示器。在机器人应用程序中，这些任务的优先级较低，但对使用个人电脑的人来说，这些任务的优先级较高。现成的个人电脑不如专门制造的机器人控制器有效，因为质量不高，可靠性不够高。”电脑没有电磁电流保护，但可以增加广泛的应用软件和外围设备，Dulchinos说。

公开化
工业机器人的软件架构往往是专有的，并致力于特定的机器人制造。虽然专利机器人软件不会很快消失，但随着机器人操作系统工业版(ROS-I)的出现，开源机器人操作系统的趋势得到了极大的推动。

Paul Hvass，高级研究工程师西南研究所（SWRI，SWRI，San Antonio，Texas）表示，“ROS由Willow Garage Inc.（Menlo Park，California）作为一个BSD许可证的开源项目。由于此允许软件许可证，可以部署ROS以用于商业和专有应用程序。SWRI与Willow Garage合作开始辅助存储库，ROS-Industrial，补充核心ROS能力。“

Willow Garage最初为个人和服务机器人应用开发硬件和开源软件。ROS-I将开放源码模型扩展到工业领域。“ROS-I的目标客户是工业用户，包括工业机械手的驱动程序、传感器和通信总线。ROS-I项目还建立了代码质量标准和软件开发实践，以确保高可靠性。

高级研究工程师杰里米·泽斯（Jeremy Zoss）的HVASS同事表示，“ROS已被大学研究人员广泛采用。研究界往往是商业机器人供应商的产品提前几年，ROS-I提供了桥梁利用现有工业平台的新研究。基本拣配应用程序可能不需要ROS-I，但是，工业机器人用户能够以更非结构化和协作方式部署机器人。“

赫瓦斯对此表示同意，但也提出了一个警告。“我们还不想暗示ROS-I提供了关键的人体安全功能。工业安全标准仍然适用。”

Zoss戴上说，“ROS-I为最终用户提供了从学术研究人员使用新开发的代码的机会，而无需解决专有控制器的局限性。ROS-I为各种不同的工业机器人平台提供了一个通用的接口，意思是最终用户可以在各种机器人上部署单个应用程序，具有最小的代码更改。“

机器人制造商越来越多地将ROS-I应用到他们的机器人软件架构中。杜尔奇诺斯说:“我们的机器人与ROS平台紧密相连。“我们的软件产品插入ROS环境，为希望利用软件开源策略的终端用户提供服务。”

Motoman的Erik Nieves表示，“ROS在研究人员之间实现了危重质量，并且很容易便携。加利福尼亚州的研究员可以轻松地与德国或台湾的研究员合作。ROS非常强大，一个良好的开源机器人软件。因此，研究界拥有该系统。“

ROS-I是如何影响机器人产业的?

“研究人员正在利用低成本的技术，将它们附加到机器人并使用ROS来绘制一小块代码来实现功能。不采用开放的源友好方法的工业机器人制造商被冻结在能够使用这些新技术，“聂人说。“当我们看到在机器人行业中使用开放的源友好机器人控制器的足够例子时，我们将看到该行业对开源战略进行了认真。”

当平台变得足够稳定，与大多数工业机器人主要品牌兼容，并被机器人的大型终端用户接受时，ROS-I将成为机器人行业的一个重要元素。尼夫斯说:“如果能够吸引到汽车和其他行业的大型终端用户，希望利用ROS系统在他们的工厂解决问题，ROS- i联盟就会取得成功。”

RIA研讨会
机器人最终用户，制造商和集成商有机会在网络研讨会，机器人设计，集成控制，软件架构中了解更多有关机器人架构的更多信息。由Adil Shafi，主席进行的网络研讨会Advenovation Inc.(罗彻斯特山，密歇根州)举行于2月28日星期四下午12点。

戴尔的网络研讨会。“将着眼于工业机器人的电机和连杆设计的进化和设计。本教程将解释机器人控制器的功能和软件架构的三个层次:控制器层次、实现应用层次和垂直解决方案层次。”

控制器充当机器人的“大脑”，Shafi说，“控制视觉，力传感，输入/输出和其他通信协议。控制器还使用多任务，多处处理技术和其他性能增强技术控​​制工作单元中的其他设备或多个机器人。“

Shafi Cites如何智能架构在工作单元中提供更好的管理。“在过去，控制器有一个处理器处理愿景和沟通。现在，愿景和通信由不同的处理器分开。当机器人焊接轮廓表面时，机器人具有更大的重复性，精度和更高的吞吐量，具有多处理控制架构。“

Shafi将研究工业机器人设计的历史、发展和未来趋势，以及它们的控制器和软件，绘制趋势，以及如何将灵活的自动化应用于新产品和市场。

更快，更便宜，更安全
工业机器人的建筑何时允许真正的合作与人类合作，而不需要围栏或光窗帘？

“机器人可以与人一起工作，但性能水平很低。我认为这种情况将会改变，”杜尔奇诺斯预测。“在未来五年内，预计会有更多的机器人在性能提升的同时，能够在人类周围安全工作。”

Shafi同意，“我们已经看到了从”Cobots“的合作架构，例如柳树车库的PR2，美国国家航空航天局和通用汽车罗纳罗纳，并重新思考机器人的Baxter Robot。”