基于機器人控制器的發(fā)展分析

　　
 

　　作為機器人的核心部分，機器人控制器是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著(zhù)機器人的發(fā)展。目前，由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長(cháng)足進(jìn)步，使得機器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時(shí)也為機器人控制器的性能提出更高的要求，對于不同類(lèi)型的機器人，如有腿的步行機器人與關(guān)節型工業(yè)機器人，控制系統的綜合方法有較大差別，控制器的設計方案也不一樣。

　　中國成為全球第一大工業(yè)機器人應用市場(chǎng)指日可待，但遺憾的是，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，受相關(guān)技術(shù)和加工工藝等因素影響，中國市場(chǎng)上工業(yè)機器人基本被以ABB、庫卡、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的國外機器人品牌占據著(zhù)，國產(chǎn)機器人品牌僅占約8%的市場(chǎng)份額?？刂破髯鳛楣I(yè)機器人最為核心的零部件之一，必將受惠工業(yè)機器人的快速增長(cháng)，但作為關(guān)鍵核心零部件的控制器市場(chǎng)，也同樣被外企所占據。
 

 

　　發(fā)展現狀

　　國外

　　工業(yè)機器人控制系統的主要任務(wù)是控制機器人在工作空間中的運動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。它同時(shí)具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線(xiàn)操作提示和使用方便等特點(diǎn)。

　　機器人自由度的高低取決于其可移動(dòng)的關(guān)節數目，關(guān)節數愈多，自由度越高，位移精準度也愈出色，然所須使用的伺服電機數量就相對較多;換言之，愈精密的工業(yè)型機器人，其內的伺服電機數量愈多，一般每臺多軸機器人由一套控制系統控制，也意味著(zhù)控制器性能要求越高。

　　控制器、軟件與本體一樣，一般由機器人廠(chǎng)家自主設計研發(fā)。目前國外主流機器人廠(chǎng)商的控制器均為在通用的多軸運動(dòng)控制器平臺基礎上進(jìn)行自主研發(fā)，各品牌機器人均有自己的控制系統與之匹配。因此，控制器的市場(chǎng)份額基本和機器人保持一致，國內企業(yè)控制器尚未形成市場(chǎng)競爭優(yōu)勢。
 

 

　　國內

　　近年來(lái)，國內運動(dòng)控制(包括CNC)技術(shù)有了較快的發(fā)展。一些傳統生產(chǎn)數控設備的廠(chǎng)家開(kāi)始研制具有運動(dòng)控制特征的產(chǎn)品。為了提高機械設備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，越來(lái)越多的機械設備制造廠(chǎng)商開(kāi)始使用并且逐漸熟悉通用運動(dòng)控制系統，使得通用運動(dòng)控制產(chǎn)品在很多原來(lái)運用不多的領(lǐng)域開(kāi)始擴展開(kāi)來(lái)。

　　同時(shí)，部分數控設備廠(chǎng)家進(jìn)行了機器人專(zhuān)用運動(dòng)控制產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和行業(yè)應用的推廣，并逐漸走向成熟和產(chǎn)業(yè)化。這類(lèi)企業(yè)以廣州數控、廣泰數控、埃斯頓等為代表，他們不只開(kāi)發(fā)出來(lái)機器人專(zhuān)用的控制系統，而且還借此進(jìn)入機器人行業(yè)，并成為國產(chǎn)機器人企業(yè)中的代表。

　　隨著(zhù)我國制造業(yè)市場(chǎng)的全球化，對制造業(yè)的技術(shù)和裝備提出了更高的要求，這給運動(dòng)控制技術(shù)的推廣和高水平應用帶來(lái)了契機。在此背景下，國內逐步成長(cháng)了一批專(zhuān)業(yè)的運動(dòng)控制企業(yè)，他們開(kāi)始逐步向市場(chǎng)提供機器人專(zhuān)用控制器。這類(lèi)企業(yè)以固高科技、卡諾普、眾為興等為代表，固高科技是國內較早實(shí)現六軸機器人控制系統產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)之一，目前主要向機器人集成商提供控制系統平臺，而卡諾普和眾為興的控制系統則在自己的機器人上獲得了較好的應用經(jīng)驗。于此同時(shí)，不少?lài)鴥葯C器人企業(yè)也陸續開(kāi)發(fā)自己的控制系統。

　　經(jīng)過(guò)多年的沉淀，國內機器人控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比并沒(méi)有太大差距，差距主要體現在控制算法和二次開(kāi)發(fā)平臺的易用性方面。隨著(zhù)技術(shù)和應用經(jīng)驗的積累，國內企業(yè)機器人控制器產(chǎn)品已經(jīng)交為成熟，是機器人產(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的關(guān)鍵零部件。未來(lái)幾年中國國產(chǎn)機器人將得到快速發(fā)展，國產(chǎn)機器人控制器應用市場(chǎng)面臨較好的發(fā)展契機，尤其是在運動(dòng)控制領(lǐng)域深耕多年的企業(yè)。

　　綜合起來(lái)，現有機器人控制器存在很多問(wèn)題：

　　(1)開(kāi)放性差局限于“專(zhuān)用計算機、專(zhuān)用機器人語(yǔ)言、專(zhuān)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，不便于對系統進(jìn)行擴展和改進(jìn)。

　　(2)軟件獨立性差軟件結構及其邏輯結構依賴(lài)于處理器硬件，難以在不同的系統間移植。

　　(3)容錯性差由于并行計算中的數據相關(guān)性、通訊及同步等內在特點(diǎn)，控制器的容錯性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導致整個(gè)系統的癱瘓。

　　(4)擴展性差目前。機器人控制器的研究著(zhù)重于從關(guān)節這一級來(lái)改善和提高系統的性能.由于結構的封閉性，難以根據需要對系統進(jìn)行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊。

　　總起來(lái)看，前面提到的無(wú)論串行結構還是并行結構的機器人控制器都不是開(kāi)放式結構，無(wú)論從軟件還是硬件都難以擴充和更改，例如，商品化的 Mo toman機器人的控制器是不開(kāi)放的，用戶(hù)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。
 

 

　　展望

　　隨著(zhù)機器人控制技術(shù)的發(fā)展 ，針對結構封閉的機器人控制器的缺陷 ，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)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(gè)發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基于 PC開(kāi)發(fā)的具有開(kāi)放式結構、網(wǎng)絡(luò )功能的機器人控制器，我國 863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。

　　開(kāi)放式結構機器人控制器是指：控制器設計的各個(gè)層次對用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)可以方便的擴展和改進(jìn)其性能，其主要思想是：

　　(1)利用基于非封閉式計算機平臺的開(kāi)發(fā)系統，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，采用標準操作系統和控制語(yǔ)言，從而可以改變各種專(zhuān)用機器人語(yǔ)言并存且互不兼容的局面。

　　(3)采用標準總線(xiàn)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(dòng)控制板可以很容易的集成到原系統。

　　(4)利用網(wǎng)絡(luò )通訊 ，實(shí)現資源共享或遠程通訊.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變化的柔性，我們可以根據上述思想設計具有開(kāi)放式結構的機器人控制器，而且設計過(guò)程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統設計和建立的一種現代方法，按模塊化方法設計，系統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，不僅性能好、開(kāi)發(fā)周期短而且成本較低.模塊化還使系統開(kāi)放，易于修改、重構和添加配置功能。

　　小結分享

　　賽億方案十三年電子產(chǎn)品硬件及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)設計經(jīng)驗，累計開(kāi)發(fā)產(chǎn)品電子應用設計完成5000多個(gè)方案設計;目前為客戶(hù)提供理念超前的手機app開(kāi)發(fā)、智能家居系統、電子技術(shù)、電子線(xiàn)路設計、PCB設計、電路板設計、單片機技術(shù)、智能控制、嵌入式系統等。如有產(chǎn)品方案開(kāi)發(fā)意向，期待您的來(lái)訪(fǎng)。