[科普中國]-機(jī)器人控制器

背景

自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代：1

(1)可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人；

(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機(jī)器人；

(3)智能機(jī)器人。

作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。目前，由于人工智能、計算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時也為機(jī)器人控制器的性能提出更高的要求，對于不同類型的機(jī)器人，如有腿的步行機(jī)器人與關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計方案也不一樣。

中國成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場指日可待，但遺憾的是，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，受相關(guān)技術(shù)和加工工藝等因素影響，中國市場上工業(yè)機(jī)器人基本被以ABB、庫卡、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的國外機(jī)器人品牌占據(jù)著，國產(chǎn)機(jī)器人品牌僅占約8%的市場份額?？刂破髯鳛楣I(yè)機(jī)器人最為核心的零部件之一，必將受惠工業(yè)機(jī)器人的快速增長，但作為關(guān)鍵核心零部件的控制器市場，也同樣被外企所占據(jù)。2

發(fā)展現(xiàn)狀國外工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)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(jī)交互界面、在線操作提示和使用方便等特點(diǎn)。2

機(jī)器人自由度的高低取決于其可移動的關(guān)節(jié)數(shù)目，關(guān)節(jié)數(shù)愈多，自由度越高，位移精準(zhǔn)度也愈出色，然所須使用的伺服電機(jī)數(shù)量就相對較多；換言之，愈精密的工業(yè)型機(jī)器人，其內(nèi)的伺服電機(jī)數(shù)量愈多，一般每臺多軸機(jī)器人由一套控制系統(tǒng)控制，也意味著控制器性能要求越高。2

控制器、軟件與本體一樣，一般由機(jī)器人廠家自主設(shè)計研發(fā)。目前國外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動控制器平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，各品牌機(jī)器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配。因此，控制器的市場份額基本和機(jī)器人保持一致，國內(nèi)企業(yè)控制器尚未形成市場競爭優(yōu)勢。2

國內(nèi)近年來，國內(nèi)運(yùn)動控制(包括CNC)技術(shù)有了較快的發(fā)展。一些傳統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的廠家開始研制具有運(yùn)動控制特征的產(chǎn)品。為了提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，越來越多的機(jī)械設(shè)備制造廠商開始使用并且逐漸熟悉通用運(yùn)動控制系統(tǒng)，使得通用運(yùn)動控制產(chǎn)品在很多原來運(yùn)用不多的領(lǐng)域開始擴(kuò)展開來。2

同時，部分?jǐn)?shù)控設(shè)備廠家進(jìn)行了機(jī)器人專用運(yùn)動控制產(chǎn)品的開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用的推廣，并逐漸走向成熟和產(chǎn)業(yè)化。這類企業(yè)以廣州數(shù)控、廣泰數(shù)控、埃斯頓等為代表，他們不只開發(fā)出來機(jī)器人專用的控制系統(tǒng)，而且還借此進(jìn)入機(jī)器人行業(yè)，并成為國產(chǎn)機(jī)器人企業(yè)中的代表。2

隨著我國制造業(yè)市場的全球化，對制造業(yè)的技術(shù)和裝備提出了更高的要求，這給運(yùn)動控制技術(shù)的推廣和高水平應(yīng)用帶來了契機(jī)。在此背景下，國內(nèi)逐步成長了一批專業(yè)的運(yùn)動控制企業(yè)，他們開始逐步向市場提供機(jī)器人專用控制器。這類企業(yè)以固高科技、卡諾普、眾為興等為代表，固高科技是國內(nèi)較早實(shí)現(xiàn)六軸機(jī)器人控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)之一，目前主要向機(jī)器人集成商提供控制系統(tǒng)平臺，而卡諾普和眾為興的控制系統(tǒng)則在自己的機(jī)器人上獲得了較好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。于此同時，不少國內(nèi)機(jī)器人企業(yè)也陸續(xù)開發(fā)自己的控制系統(tǒng)。2

經(jīng)過多年的沉淀，國內(nèi)機(jī)器人控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距，差距主要體現(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方面。隨著技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，國內(nèi)企業(yè)機(jī)器人控制器產(chǎn)品已經(jīng)交為成熟，是機(jī)器人產(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的關(guān)鍵零部件。未來幾年中國國產(chǎn)機(jī)器人將得到快速發(fā)展，國產(chǎn)機(jī)器人控制器應(yīng)用市場面臨較好的發(fā)展契機(jī)，尤其是在運(yùn)動控制領(lǐng)域深耕多年的企業(yè)。2

類型機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣，從機(jī)器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。1

串行處理結(jié)構(gòu)所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理，對于這種類型的控制器，從計算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，又可分為以下幾種：1

(1) 單CPU 結(jié)構(gòu)、集中控制方式用一臺功能較強(qiáng)的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，在早期的機(jī)器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就采用這種結(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計算 (如坐標(biāo)變換 ) ,因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。

(2) 二級 CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式一級 CPU 為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能 ,同時也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)，并定時地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到公用內(nèi)存，供二級 CPU讀??；二級CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制.這類系統(tǒng)的兩個CPU總線之間基本沒有聯(lián)系 ,僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù) ,是一個松耦合的關(guān)系.對采用更多的 CPU 進(jìn)一步分散功能是很困難的.日本于 70年代生產(chǎn)的 M otoma n機(jī)器人 ( 5關(guān)節(jié) ,直流電機(jī)驅(qū)動 )的計算機(jī)系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)構(gòu)。

(3) 多CPU 結(jié)構(gòu)、分布式控制方式

目前，普遍采用這種上、下位機(jī)二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多 C PU組成 ,每個 CPU控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動，這些 CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合，這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個處理器承擔(dān)固定任務(wù)，目前世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。

控制器計算機(jī)控制系統(tǒng)中的位置控制部分，幾乎無例外地采用數(shù)字式位置控制。

以上幾種類型的控制器都是采用串行機(jī)來計算機(jī)器人控制算法，它們存在一個共同的弱點(diǎn)：計算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時性差.所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來減輕實(shí)時控制中的計算負(fù)擔(dān)，當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運(yùn)動中所要求的精度指標(biāo)。

并行處理結(jié)構(gòu)并行處理技術(shù)是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機(jī)器人控制的實(shí)時性要求，從文獻(xiàn)來看，關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn) .1982年 J. Y. S. Luh首次提出機(jī)器人動力學(xué)并行處理問題 ,這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)方程是一組非線性強(qiáng)耦合的二階微分方程，計算十分復(fù)雜，提高機(jī)器人動力學(xué)算法計算速度也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如: 計算力矩法、非線性前饋法、自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ)。開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法 ,使之并行化，然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu) .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu) ,根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計算模型 ,開發(fā)算法的并行性;二是首先開發(fā)算法的并行性 ,然后設(shè)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu) ,以達(dá)到最佳并行效率。1

存在的問題隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，對機(jī)器人的性能提出更高的要求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方，如各種精密裝配機(jī)器人，位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的 ,采用專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器.這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。1

綜合起來，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問題 ,如：1

(1)開放性差局限于“專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)，封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

(2)軟件獨(dú)立性差軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。

(3)容錯性差由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。

(4)擴(kuò)展性差目前。機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能.由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)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(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器都不是開放式結(jié)構(gòu)，無論從軟件還是硬件都難以擴(kuò)充和更改，例如，商品化的 Mo toman機(jī)器人的控制器是不開放的，用戶難以根據(jù)自己需要對其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析，然后對其改造。

新型機(jī)器人控制器新型機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：1

(1) 開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動生產(chǎn)線。

(2) 合理的模塊化設(shè)計對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計，這不僅方便安裝和維護(hù)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。

(3) 有效的任務(wù)劃分不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn) ,以利于修改、添加、配置功能。

(4) 實(shí)時性，機(jī)器人控制器必須能在確定的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理 ,并且可以使多個任務(wù)同時進(jìn)行。

(5) 網(wǎng)絡(luò)通訊功能利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺機(jī)器人協(xié)同工作。

(6)形象直觀的人機(jī)接口。

展望隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展 ,針對結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷 ,開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，如日本安川公司基于 PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器，我國 863計劃智能機(jī)器人主題也已對這方面的研究立項(xiàng)。1

開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器是指：控制器設(shè)計的各個層次對用戶開放，用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能，其主要思想是：1

(1)利用基于非封閉式計算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng)，有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)平臺的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

(2)利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語言，從而可以改變各種專用機(jī)器人語言并存且互不兼容的局面。

(3)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，使得為擴(kuò)展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器 , I /O板、運(yùn)動控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

(4)利用網(wǎng)絡(luò)通訊 ,實(shí)現(xiàn)資源共享或遠(yuǎn)程通訊.目前，幾乎所有的控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能，利用網(wǎng)絡(luò)通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔性，我們可以根據(jù)上述思想設(shè)計具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，而且設(shè)計過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設(shè)計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)計，系統(tǒng)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(tǒng)，不僅性能好、開發(fā)周期短而且成本較低.模塊化還使系統(tǒng)開放，易于修改、重構(gòu)和添加配置功能。