机器人控制器发展趋势分析

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向，如各种精密装配机器人、力/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。相应地，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。

从前面提到的两类机器人控制器来看，串行处理结构控制器的结构封闭，功能单一，且计算能力差，难以保证实时控制的要求，所以目前绝大多数商用机器人都是采用单轴PID控制，但也难以满足机器人控制的高速、高精度的要求。虽然分布式结构在一定层次上是开放的，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和通信的需要，但它只是在有限范围内开放。

并行处理结构控制器虽然能从计算速度上有了很大突破，能保证实时控制的需要，但必须看到还存在许多问题。目前的并行处理控制器研究一般集中于机器人运动学、动力学模型的并行处理方面，是基于并行算法和多处理器结构的映射特征来设计的，即通过分解给定任务，得到若干子任务，列出数据相关流图，实现各子任务在对应处理器上的并行处理。由于并行算法中通信、同步等内在特点，如程序设计不当，则易出现锁死与通信堵塞等现象。

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计划中智能机器人主题也已对这方面的研究立项。

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，用户可以方便地扩展和改进其性能。其主要思想是：

1）利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，如Sun、SGI、PC’s。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（如Unix、Vxwork）和标准的控制语言（如C、C++），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需的硬件（如各种传感器、I/O板、运动控制板），可以很容易地集成到原系统中。

4）利用网络通信，实现资源共享或远程通信。目前，几乎所有的控制器都没有网络功能，利用网络通信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。(www.xing528.com)

新型的机器人控制器应有以下特色：

（1）开放式系统结构 采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便地扩充功能，使其适用于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、多任务要求 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）网络通信功能 利用网络通信的功能，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 另外，机器人控制器中，运动控制板是必不可少的。由于机器人性能的不同，对运动控制板的要求也不同。美国DeltaTau公司推出的PMAC（Pro-grammable Multi-axies Controller）在国内外引起重视。PMAC是一种功能强大的运动控制器，它全面地开发了DSP技术的强大功能，为用户提供了很强的功能和很大的灵活性。借助于Motorola公司的DSP56001数字信号处理器，PMAC可以同时操纵1～8轴，比起其他运动控制板来说，有很多可取之处。

由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线结构，标准接口等，打破现有机器人控制器结构封闭的局面，开发开放性结构、功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的。

随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义。