3　機器人控制器存在的問題

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)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(shù)的研究已成為機器人領(lǐng)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(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)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(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［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(jié)構(gòu)限制了它的可擴展性和靈活性，因此說它的結(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(jié)構(gòu)的映射特征來設(shè)計，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列出數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實現(xiàn)各子任務(wù)在對應(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，如程序設(shè)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(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)進行擴展和改進．

（2）軟件獨立性差

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，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(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)進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊．

（5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能

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

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(jù)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(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制器的缺陷，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)機器人控制器是指：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(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)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(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．文獻［16］基于多自主體概念設(shè)計的新型控制器就是按模塊化方法設(shè)計的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機接口模塊、調(diào)度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個模塊構(gòu)成．

新型的機器人控制器應(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)需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產(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，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現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能．

（4） 實時性、多任務(wù)要求

機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(nèi)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(shù)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(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結(jié)構(gòu)完全開放的標準化機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，標準的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，標準的總線結(jié)構(gòu)，標準接口等，打破現(xiàn)有機器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的．

5　結(jié)束語

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展具有重大意義．#p#分頁標題#e#