模塊化工業機器人運動控制系統研究與設計

李樹民 邸韜 邸仕虎

（蘭州職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾在科幻戲劇《羅素姆萬能機器人》中創造了“機器人”一詞[1]。今天，人們對機器人已經不再陌生。在《終結者》、《機械公敵》等美國科幻片中，經常可以看見仿真機器人或高智能機器人。但現實中的機器人與導演的幻想仍然存在很大的差距，現實中的工業機器人是一種高度自動化的機器。

1 機器人及機器人技術的簡史

機器人是依靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種自動化機器，一種具有高度靈活性的、可編程和多功能的操作機；這種機器具備一些類似人類的智能能力，包括感知能力、動作能力、規劃能力、協同能力。

18世紀末，第一次工業革命在英國興起；20世紀初，美國掀起第二次工業革命，機器大規模自動化生產席卷全球。同時，工人的勞動強度與勞動壓力也越來越大（卓別林在《摩登時代》中夸張再現了機器大生產讓工人異化成只會擰螺帽的工作狂）。在這種時代背景下，卡雷爾對于機器人的設想逐漸受到工程師與設計師的重視[2]。二戰后，第三次工業革命（電子計算機革命）興起，信息論、控制論、仿生學飛速發展，1959年，世界上第一臺工業機器人問世。從此，機器人技術進入人類生產，開始取代工人的體力勞動。二十世紀末，第四次工業夫革命（互聯網革命）興起，網絡、人工智能又給機器人技術注入了新的動力。今天，機器人技術已經發展成為一門集合人工智能、機械、自動控制、微電子、信息處理、計算機、傳感等多種先進技術于一體的高度交叉的前沿技術。可以說，機器人技術是現代工業化的產物，它又反過來推動了現代工業化的發展。

2 機器人的組成

眾所周知，人是由運動、神經、呼吸、消化等八大系統組成的。現實中的機器人亦屬于一項高度復雜的系統工程，一個完整的機器人，一般由執行機構（操作機）、驅動裝置、控制系統、人工智能裝置等四大系統共同組成（與人類不同，機器人不需要呼吸、消化、血液循環，目前機器人的運動系統仍無法與人類運動系統匹敵）。——操作機由機械手手部（末端執行器）、手腕、手臂（機械臂）、機座四部分構成，它模仿人類手臂的動作，完成各類作業；驅動裝置由驅動器、減速器、檢測元件構成，它將電能轉換成機械能，采取電力驅動、液壓驅動或氣壓驅動的方式，為操作機提供動力；控制系統是人對機器人進行操作的裝置，控制系統包括檢測（傳感器）和控制（電子計算機）兩大部分，檢測機器人運動參數是否符合要求，并對機器人進行反饋控制，完成規定的動作[3]；人工智能系統不僅包含傳感系統（依靠傳感器實現感知功能），還包括決策、規劃、專家系統，具有邏輯判斷、模式識別、規劃操作程序等功能。

3 機器人運動控制系統的研究與設計

顯而易見，運動控制系統相當于機器人的大腦，沒有運動控制系統，機器人便不可能進行任何工作。運動控制系統的發展，經歷集中控制、主從控制、分級控制三個階段：集中控制，即利用一個CPU實現全部控制功能；主從控制，即利用主CPU計算坐標變換、軌跡生成，從CPU用于控制機械手動作；分級控制是主從控制的升級版，上級主控計算機負責整個系統的管理、坐標變換、生成軌跡，下級若干個微處理器分管機械手各個關節的坐標及伺服控制處理。——機器人的應用越來越廣泛，在研究、設計運動控制系統時，必須考慮：開放式系統結構，否則無法適用于不同類型的機器人；模塊化設計，可以提高系統的可靠性；合理的任務劃分，運動控制系統應包括若干不同的功能模塊，分別實現不同的子任務，以利于修改、增添功能；網絡通訊功能，運動控制系統必須與網絡相連，以實現對多臺機器人的協同控制與資源共享；形象、直觀的人機接口，以利于人機互動[4]。

我們認為：設計模塊化工業機器人運動控制系統，應當包括上位機（工業PC機）、區域控制器、智能模塊三大部分。——工業PC機負責完成機器人系統管理，將操作員發出的位姿指令下傳至區域控制器，并對機器人進行實時監控；區域控制器包括數字信號處理器（32位DSP）、CAN總線接口模塊、以太網模塊、外擴存儲器模塊、電源管理模塊，負責進行機器人各關節坐標變換、生成軌跡、運動協調計算；智能模塊由16位DSP、編碼器接口模塊、CAN總線接口模塊、電機驅動模塊、電源管理模塊、外擴存儲器模塊組成，負責檢測機器人位姿，實時采集機器人工作狀態，完成機器人各關節伺服運動控制。

在設計工業機器人運動控制系統時，應秉持模塊化設計原則，采用組合式結構搭建三級多個CPU控制系統，這樣可以避免集中控制結構封閉、計算負擔重、實時性差的問題；三級多個CPU控制系統其中的每一級控制器分別對應單一、完整的任務，可以實現更高的系統性能，同時降低開發成本，縮短開發周期。

在設計工業機器人運動控制系統時，還應用分布式控制取代集中式控制。集中式控制會造成連線過多、系統溫度過多，而分布式控制不僅避免了這些問題，還將繁重的控制任務分散給不同的模塊，大大提高了系統反應的速度。

4 結語

傳統的封閉式運動控制系統只能適用于某一個具體崗位上的機器人。按模塊化方法設計機器人運動控制系統，可以實現開放式結構升級，其應用領域將大為擴展，而機器人的使用價值也將進一步擴寬。