[科普中国]-机器人控制器

背景

自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步，机器人的发展已经历了3代：1

(1)可编程的示教再现型机器人；

(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人；

(3)智能机器人。

作为机器人的核心部分，机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一，它从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。2

发展现状国外工业机器人控制系统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。2

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。2

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。2

国内近年来，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。2

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。2

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业的运动控制企业，他们开始逐步向市场提供机器人专用控制器。这类企业以固高科技、卡诺普、众为兴等为代表，固高科技是国内较早实现六轴机器人控制系统产业化的企业之一，目前主要向机器人集成商提供控制系统平台，而卡诺普和众为兴的控制系统则在自己的机器人上获得了较好的应用经验。于此同时，不少国内机器人企业也陆续开发自己的控制系统。2

经过多年的沉淀，国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。随着技术和应用经验的积累，国内企业机器人控制器产品已经交为成熟，是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件。未来几年中国国产机器人将得到快速发展，国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机，尤其是在运动控制领域深耕多年的企业。2

类型机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣，从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。1

串行处理结构所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理，对于这种类型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种：1

(1) 单CPU 结构、集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部控制功能，在早期的机器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就采用这种结构，但控制过程中需要许多计算 (如坐标变换 ) ,因此这种控制结构速度较慢。

(2) 二级 CPU结构、主从式控制方式一级 CPU 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能 ,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级 CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系 ,仅通过公用内存交换数据 ,是一个松耦合的关系.对采用更多的 CPU 进一步分散功能是很困难的.日本于 70年代生产的 M otoma n机器人 ( 5关节 ,直流电机驱动 )的计算机系统就属于这种主从式结构。

(3) 多CPU 结构、分布式控制方式

目前，普遍采用这种上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多 C PU组成 ,每个 CPU控制一个关节运动，这些 CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合，这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定任务，目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。

控制器计算机控制系统中的位置控制部分，几乎无例外地采用数字式位置控制。

以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法，它们存在一个共同的弱点：计算负担重、实时性差.所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担，当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响，更难以保证高速运动中所要求的精度指标。

并行处理结构并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器人控制的实时性要求，从文献来看，关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现 .1982年 J. Y. S. Luh首次提出机器人动力学并行处理问题 ,这是因为关节型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程，计算十分复杂，提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制算法如: 计算力矩法、非线性前馈法、自适应控制法等打下基础。开发并行算法的途径之一就是改造串行算法 ,使之并行化，然后将算法映射到并行结构 .一般有两种方式 ,一是考虑给定的并行处理器结构 ,根据处理器结构所支持的计算模型 ,开发算法的并行性;二是首先开发算法的并行性 ,然后设计支持该算法的并行处理器结构 ,以达到最佳并行效率。1

存在的问题随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步，对机器人的性能提出更高的要求。智能机器人技术的研究已成为机器人领域的主要发展方，如各种精密装配机器人，位置混合控制机器人，多肢体协调控制系统以及先进制造系统中的机器人的研究等。相应的，对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，机器人自诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的 ,采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器.这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要求。1

综合起来，现有机器人控制器存在很多问题 ,如：1

(1)开放性差局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构，封闭的控制器结构使其具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进。

(2)软件独立性差软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。

(3)容错性差由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。

(4)扩展性差目前。机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能.由于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。

总起来看，前面提到的无论串行结构还是并行结构的机器人控制器都不是开放式结构，无论从软件还是硬件都难以扩充和更改，例如，商品化的 Mo toman机器人的控制器是不开放的，用户难以根据自己需要对其修改、扩充功能，通常的做法是对其详细解剖分析，然后对其改造。

新型机器人控制器新型机器人控制器应有以下特色：1

(1) 开放式系统结构采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用不同类型机器人或机器人化自动生产线。

(2) 合理的模块化设计对硬件来说，根据系统要求和电气特性，按模块化设计，这不仅方便安装和维护，而且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑。

(3) 有效的任务划分不同的子任务由不同的功能模块实现 ,以利于修改、添加、配置功能。

(4) 实时性，机器人控制器必须能在确定的时间内完成对外部中断的处理 ,并且可以使多个任务同时进行。

(5) 网络通讯功能利用网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。

(6)形象直观的人机接口。

展望随着机器人控制技术的发展 ,针对结构封闭的机器人控制器的缺陷 ,开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于 PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器，我国 863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。1

开放式结构机器人控制器是指：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可以方便的扩展和改进其性能，其主要思想是：1

(1)利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，有效利用标准计算机平台的软、硬件资源为控制器扩展创造条件。

(2)利用标准的操作系统，采用标准操作系统和控制语言，从而可以改变各种专用机器人语言并存且互不兼容的局面。

(3)采用标准总线结构，使得为扩展控制器性能而必须的硬件，如各种传感器 , I /O板、运动控制板可以很容易的集成到原系统。

(4)利用网络通讯 ,实现资源共享或远程通讯.目前，几乎所有的控制器都没有网络功能，利用网络通讯功能可以提高系统变化的柔性，我们可以根据上述思想设计具有开放式结构的机器人控制器，而且设计过程中要尽可能做到模块化。模块化是系统设计和建立的一种现代方法，按模块化方法设计，系统由多种功能模块组成，各模块完整而单一，这样建立起来的系统，不仅性能好、开发周期短而且成本较低.模块化还使系统开放，易于修改、重构和添加配置功能。