機器人控制器

自動控制理論的發展和工業生產的需要及相關技術的進步，機器人的發展已經歷了3代： ^[1] 

(1)可編程的示教再現型機器人；

(2)基於傳感器控制具有一定自主能力的機器人；

(3)智能機器人。

作為機器人的核心部分，機器人控制器是影響機器人性能的關鍵部分之一，它從一定程度上影響着機器人的發展。目前，由於人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行，同時也為機器人控制器的性能提出更高的要求，對於不同類型的機器人，如有腿的步行機器人與關節型工業機器人，控制系統的綜合方法有較大差別，控制器的設計方案也不一樣。

中國成為全球第一大工業機器人應用市場指日可待，但遺憾的是，我國工業機器人產業發展較晚，受相關技術和加工工藝等因素影響，中國市場上工業機器人基本被以ABB、庫卡、發那科和安川四大巨頭為主的國外機器人品牌佔據着，國產機器人品牌僅佔約8%的市場份額。控制器作為工業機器人最為核心的零部件之一，必將受惠工業機器人的快速增長，但作為關鍵核心零部件的控制器市場，也同樣被外企所佔據。 ^[2] 

工業機器人控制系統的主要任務是控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡，操作順序及動作的時間等。它同時具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。 ^[2] 

機器人自由度的高低取決於其可移動的關節數目，關節數愈多，自由度越高，位移精準度也愈出色，然所須使用的伺服電機數量就相對較多；換言之，愈精密的工業型機器人，其內的伺服電機數量愈多，一般每台多軸機器人由一套控制系統控制，也意味着控制器性能要求越高。 ^[2] 

控制器、軟件與本體一樣，一般由機器人廠家自主設計研發。目前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平台基礎上進行自主研發，各品牌機器人均有自己的控制系統與之匹配。因此，控制器的市場份額基本和機器人保持一致，國內企業控制器尚未形成市場競爭優勢。 ^[2] 

近年來，國內運動控制(包括CNC)技術有了較快的發展。一些傳統生產數控設備的廠家開始研製具有運動控制特徵的產品。為了提高機械設備的生產效率和產品質量，越來越多的機械設備製造廠商開始使用並且逐漸熟悉通用運動控制系統，使得通用運動控制產品在很多原來運用不多的領域開始擴展開來。 ^[2] 

同時，部分數控設備廠家進行了機器人專用運動控制產品的開發和行業應用的推廣，並逐漸走向成熟和產業化。這類企業以廣州數控、廣泰數控、埃斯頓等為代表，他們不只開發出來機器人專用的控制系統，而且還藉此進入機器人行業，併成為國產機器人企業中的代表。 ^[2] 

隨着我國製造業市場的全球化，對製造業的技術和裝備提出了更高的要求，這給運動控制技術的推廣和高水平應用帶來了契機。在此背景下，國內逐步成長了一批專業的運動控制企業，他們開始逐步向市場提供機器人專用控制器。這類企業以固高科技、卡諾普、眾為興等為代表，固高科技是國內較早實現六軸機器人控制系統產業化的企業之一，目前主要向機器人集成商提供控制系統平台，而卡諾普和眾為興的控制系統則在自己的機器人上獲得了較好的應用經驗。於此同時，不少國內機器人企業也陸續開發自己的控制系統。 ^[2] 

經過多年的沉澱，國內機器人控制器所採用的硬件平台和國外產品相比並沒有太大差距，差距主要體現在控制算法和二次開發平台的易用性方面。隨着技術和應用經驗的積累，國內企業機器人控制器產品已經交為成熟，是機器人產品中與國外產品差距最小的關鍵零部件。未來幾年中國國產機器人將得到快速發展，國產機器人控制器應用市場面臨較好的發展契機，尤其是在運動控制領域深耕多年的企業。 ^[2] 

機器人控制器是根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業任務的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優劣，從機器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、並行兩種結構類型。 ^[1] 

所謂的串行處理結構是指機器人的控制算法是由串行機來處理，對於這種類型的控制器，從計算機結構、控制方式來劃分，又可分為以下幾種： ^[1] 

(1) 單CPU 結構、集中控制方式用一台功能較強的計算機實現全部控制功能，在早期的機器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就採用這種結構，但控制過程中需要許多計算 (如座標變換 ) ,因此這種控制結構速度較慢。

(2) 二級 CPU結構、主從式控制方式一級 CPU 為主機，擔當系統管理、機器人語言編譯和人機接口功能 ,同時也利用它的運算能力完成座標變換、軌跡插補，並定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公用內存，供二級 CPU讀取；二級CPU完成全部關節位置數字控制.這類系統的兩個CPU總線之間基本沒有聯繫 ,僅通過公用內存交換數據 ,是一個松耦合的關係.對採用更多的 CPU 進一步分散功能是很困難的.日本於 70年代生產的 M otoma n機器人 ( 5關節 ,直流電機驅動 )的計算機系統就屬於這種主從式結構。

(3) 多CPU 結構、分佈式控制方式

目前，普遍採用這種上、下位機二級分佈式結構，上位機負責整個系統管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多 C PU組成 ,每個 CPU控制一個關節運動，這些 CPU和主控機聯繫是通過總線形式的緊耦合，這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統共有的特徵都是針對具體問題而採用的功能分佈式結構，即每個處理器承擔固定任務，目前世界上大多數商品化機器人控制器都是這種結構。

控制器計算機控制系統中的位置控制部分，幾乎無例外地採用數字式位置控制。

以上幾種類型的控制器都是採用串行機來計算機器人控制算法，它們存在一個共同的弱點：計算負擔重、實時性差.所以大多采用離線規劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負擔，當機器人在運行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運動中所要求的精度指標。

並行處理技術是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機器人控制的實時性要求，從文獻來看，關於機器人控制器並行處理技術，人們研究較多的是機器人運動學和動力學的並行算法及其實現 .1982年 J. Y. S. Luh首次提出機器人動力學並行處理問題 ,這是因為關節型機器人的動力學方程是一組非線性強耦合的二階微分方程，計算十分複雜，提高機器人動力學算法計算速度也為實現複雜的控制算法如: 計算力矩法、非線性前饋法、自適應控制法等打下基礎。開發並行算法的途徑之一就是改造串行算法 ,使之並行化，然後將算法映射到並行結構 .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的並行處理器結構 ,根據處理器結構所支持的計算模型 ,開發算法的並行性;二是首先開發算法的並行性 ,然後設計支持該算法的並行處理器結構 ,以達到最佳並行效率。 ^[1] 

隨着現代科學技術的飛速發展和社會的進步，對機器人的性能提出更高的要求。智能機器人技術的研究已成為機器人領域的主要發展方，如各種精密裝配機器人，位置混合控制機器人，多肢體協調控制系統以及先進製造系統中的機器人的研究等。相應的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，機器人自誕生以來，特別是工業機器人所採用的控制器基本上都是開發者基於自己的獨立結構進行開發的 ,採用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統、專用微處理器.這樣的機器人控制器已不能滿足現代工業發展的要求。 ^[1] 

綜合起來，現有機器人控制器存在很多問題 ,如： ^[1] 

(1)開放性差侷限於“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結構，封閉的控制器結構使其具有特定的功能、適應於特定的環境，不便於對系統進行擴展和改進。

(2)軟件獨立性差軟件結構及其邏輯結構依賴於處理器硬件，難以在不同的系統間移植。

(3)容錯性差由於並行計算中的數據相關性、通訊及同步等內在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導致整個系統的癱瘓。

(4)擴展性差目前。機器人控制器的研究着重於從關節這一級來改善和提高系統的性能.由於結構的封閉性，難以根據需要對系統進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊。

總起來看，前面提到的無論串行結構還是並行結構的機器人控制器都不是開放式結構，無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改，例如，商品化的 Mo toman機器人的控制器是不開放的，用户難以根據自己需要對其修改、擴充功能，通常的做法是對其詳細解剖分析，然後對其改造。

新型機器人控制器應有以下特色： ^[1] 

(1) 開放式系統結構採用開放式軟件、硬件結構，可以根據需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產線。

(2) 合理的模塊化設計對硬件來説，根據系統要求和電氣特性，按模塊化設計，這不僅方便安裝和維護，而且提高了系統的可靠性，系統結構也更為緊湊。

(3) 有效的任務劃分不同的子任務由不同的功能模塊實現 ,以利於修改、添加、配置功能。

(4) 實時性，機器人控制器必須能在確定的時間內完成對外部中斷的處理 ,並且可以使多個任務同時進行。

(5) 網絡通訊功能利用網絡通訊的功能，以便於實現資源共享或多台機器人協同工作。

(6)形象直觀的人機接口。

隨着機器人控制技術的發展 ,針對結構封閉的機器人控制器的缺陷 ,開發“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器的一個發展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發具有開放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基於 PC開發的具有開放式結構、網絡功能的機器人控制器，我國 863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。 ^[1] 

開放式結構機器人控制器是指：控制器設計的各個層次對用户開放，用户可以方便的擴展和改進其性能，其主要思想是： ^[1] 

(1)利用基於非封閉式計算機平台的開發系統，有效利用標準計算機平台的軟、硬件資源為控制器擴展創造條件。

(2)利用標準的操作系統，採用標準操作系統和控制語言，從而可以改變各種專用機器人語言並存且互不兼容的局面。

(3)採用標準總線結構，使得為擴展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器 , I /O板、運動控制板可以很容易的集成到原系統。

(4)利用網絡通訊 ,實現資源共享或遠程通訊.目前，幾乎所有的控制器都沒有網絡功能，利用網絡通訊功能可以提高系統變化的柔性，我們可以根據上述思想設計具有開放式結構的機器人控制器，而且設計過程中要儘可能做到模塊化。模塊化是系統設計和建立的一種現代方法，按模塊化方法設計，系統由多種功能模塊組成，各模塊完整而單一，這樣建立起來的系統，不僅性能好、開發週期短而且成本較低.模塊化還使系統開放，易於修改、重構和添加配置功能。