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3　機器人控制器存在的問題

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)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(fā)展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人，多肢體協(xié)調控制系統(tǒng)以及先進制造系統(tǒng)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(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結構進行開發(fā)的，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器．這樣的機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器人控制器來看，串行處理結構控制器的結構封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、高精度的要求．雖然分布式結構在一定層次上是開放的，可以根據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開放．所采用的如文獻［12］所說的“專用計算機(如PUMA機器人采用PDP-11作為上層主控計算機)、專用機器人語言（如VAL）、專用微處理器并將控制算法固定在EPROM中”結構限制了它的可擴展性和靈活性，因此說它的結構是封閉的．

并行處理結構控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題．目前的并行處理控制器研究一般集中于機器人運動學、動力學模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結構的映射特征來設計，即通過分解給定任務，得到若干子任務，列出數(shù)據相關流圖，實現(xiàn)各子任務在對應處理器上的并行處理．由于并行算法中通訊、同步等內在特點，如程序設計不當則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象．

綜合起來，現(xiàn)有機器人控制器存在很多問題，如：

（1）開放性差

局限于“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、適應于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)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(tǒng)的癱瘓．

（4）擴展性差

目前，機器人控制器的研究著重于從關節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能．由于結構的封閉性，難以根據需要對系統(tǒng)進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊．

（5）缺少網絡功能

現(xiàn)在幾乎所有的機器人控制器都沒有網絡功能．

總起來看，前面提到的無論串行結構還是并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Motoman機器人的控制器是不開放的，用戶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，然后對其改造．

4　機器人控制器的展望

隨著機器人控制技術的發(fā)展，針對結構封閉的機器人控制器的缺陷，開發(fā)“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(fā)展方向．近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結構、網絡功能的機器人控制器^［13］．我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項^［14］．

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戶開放，用戶可以方便的擴展和改進其性能．其主要思想^［15］是：

（1）利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)，如Sun, SGI, PC’s．有效利用標準計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展創(chuàng)造條件．

（2）利用標準的操作系統(tǒng)，如Unix,Vxwork和標準的控制語言，如C，C++．采用標準操作系統(tǒng)和控制語言，從而可以改變各種專用機器人語言并存且互不兼容的局面．

（3）采用標準總線結構，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(tǒng)．

（4）利用網絡通訊，實現(xiàn)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(tǒng)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．而且設計過程中要盡可能做到模塊化．模塊化是系統(tǒng)設計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設計，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、重構和添加配置功能．文獻［16］基于多自主體概念設計的新型控制器就是按模塊化方法設計的，系統(tǒng)由數(shù)據庫模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機接口模塊、調度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個模塊構成．

新型的機器人控制器應有以下特色：

（1） 開放式系統(tǒng)結構

采用開放式軟件、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

對硬件來說，根據系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)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(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能．

（4） 實時性、多任務要求

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，并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，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人協(xié)同工作．

（6）形象直觀的人機接口

另外，機器人控制器中，運動控制板是必不可少的．由于機器人性能的不同，對運動控制板的要求也不同．美國Delta Tau公司推出的PMAC(Programmable Multi-axies Controller)在國內外引起重視．PMAC是一種功能強大的運動控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術的強大功能，為用戶提供了很強的功能和很大的靈活性．借助于Motorola 公司的DSP56001數(shù)字信號處理器，PMAC可以同時操縱1～8軸，比起其他運動控制板來說，有很多可取之處．

由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結構完全開放的標準化機器人控制器存在一定困難，但應用現(xiàn)有技術，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網性，標準的實時多任務操作系統(tǒng)，標準的總線結構，標準接口等，打破現(xiàn)有機器人控制器結構封閉的局面，開發(fā)結構開放性、功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的．

5　結束語

隨著機器人技術的發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴大，對機器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領域（如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中，是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作．而具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器的研究無疑對提高機器人性能和自主能力、推動機器人技術的發(fā)展具有重大意義．#p#分頁標題#e#