3　機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)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)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力/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(duì)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(lái)，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(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)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．

從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來(lái)看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求．雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層次上是開放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放．所采用的如文獻(xiàn)［12］所說(shuō)的“專用計(jì)算機(jī)(如PUMA機(jī)器人采用PDP-11作為上層主控計(jì)算機(jī))、專用機(jī)器人語(yǔ)言（如VAL）、專用微處理器并將控制算法固定在EPROM中”結(jié)構(gòu)限制了它的可擴(kuò)展性和靈活性，因此說(shuō)它的結(jié)構(gòu)是封閉的．

并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計(jì)算速度上有了很大突破，能保證實(shí)時(shí)控制的需要，但我們必須看到還存在許多問(wèn)題．目前的并行處理控制器研究一般集中于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來(lái)設(shè)計(jì)，即通過(guò)分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列出數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對(duì)應(yīng)處理器上的并行處理．由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點(diǎn)，如程序設(shè)計(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象．

綜合起來(lái)，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問(wèn)題，如：

（1）開放性差

局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)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(duì)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(cuò)性差

由于并行計(jì)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(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)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(jí)來(lái)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊．

（5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能

現(xiàn)在幾乎所有的機(jī)器人控制器都沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能．

總起來(lái)看，前面提到的無(wú)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(wú)論從軟件還是硬件都難以擴(kuò)充和更改．例如，商品化的Motoman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(duì)其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對(duì)其詳細(xì)解剖分析，然后對(duì)其改造．

4　機(jī)器人控制器的展望

隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)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(gè)發(fā)展方向．近幾年，日本、美國(guó)和歐洲一些國(guó)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^［13］．我國(guó)863計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)^［14］．

開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器是指：控制器設(shè)計(jì)的各個(gè)層次對(duì)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^［15］是：

（1）利用基于非封閉式計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)，如Sun, SGI, PC’s．有效利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)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)，如Unix,Vxwork和標(biāo)準(zhǔn)的控制語(yǔ)言，如C，C++．采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語(yǔ)言，從而可以改變各種專用機(jī)器人語(yǔ)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(dòng)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(méi)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(jì)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器．而且設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡可能做到模塊化．模塊化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)計(jì)，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(lái)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．文獻(xiàn)［16］基于多自主體概念設(shè)計(jì)的新型控制器就是按模塊化方法設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機(jī)接口模塊、調(diào)度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個(gè)模塊構(gòu)成．

新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：

（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(dòng)生產(chǎn)線．

（2） 合理的模塊化設(shè)計(jì)

對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)性、多任務(wù)要求

機(jī)器人控制器必須能在確定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)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(tái)機(jī)器人協(xié)同工作．

（6）形象直觀的人機(jī)接口

另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)控制板是必不可少的．由于機(jī)器人性能的不同，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制板的要求也不同．美國(guó)Delta Tau公司推出的PMAC(Programmable Multi-axies Controller)在國(guó)內(nèi)外引起重視．PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶提供了很強(qiáng)的功能和很大的靈活性．借助于Motorola 公司的DSP56001數(shù)字信號(hào)處理器，PMAC可以同時(shí)操縱1～8軸，比起其他運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)說(shuō)，有很多可取之處．

由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個(gè)結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的．

5　結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作．而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器的研究無(wú)疑對(duì)提高機(jī)器人性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義．#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#