機器人控制器存在的問題

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)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耍求。智能機器人技術(shù)的研究己成為機器人領(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)屮的機器人的研究等。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，采用專用計箅機、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，且計箅能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕人多數(shù)商用機器人都是釆用單軸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。

　　并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計箅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(xué)、動力學(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)的映射特征來設(shè)計，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列山數(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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）容錯性差

　　由干并行計算中的數(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(dǎo)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。

　　工業(yè)機器人控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢

　　2012年，美國提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”；2013年，德國提出“工業(yè)4.0”；2015年，中國提出“中國制造2025”。2012年，美國提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”；2013年，德國提出“工業(yè)4.0”；2015年，中國提出“中國制造2025”。近幾年，許多國家或組織對未來的工業(yè)發(fā)展都相繼制定了規(guī)劃藍圖，并且，這些藍圖都從本質(zhì)上都指出了未來工業(yè)制造的發(fā)展趨勢，即更加突出自動化、信息化和智能化。

　　機器人作為工業(yè)制造的重要參與者，其發(fā)展越來越受到世界各國的高度關(guān)注，主要經(jīng)濟體紛紛將發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略，并以此作為保持和重獲制造業(yè)競爭優(yōu)勢的重要手段。美國2013年發(fā)布了機器人發(fā)展路線報告，將現(xiàn)今的機器人與上世紀互聯(lián)網(wǎng)定位于同等重要的地位。機器人將影響人類生活和經(jīng)濟社會發(fā)展的各個方面，并被列為美國實現(xiàn)制造業(yè)變革、促進經(jīng)濟發(fā)展的核心技術(shù)。2014年，歐盟啟動了全球最大的民用機器人研發(fā)計劃“SPARC”，根據(jù)該計劃，到2020年歐委會將投資7億歐元，euRobotics協(xié)會將投資21億歐元推動機器人研發(fā)，研發(fā)內(nèi)容包括機器人在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、健康、交通、安全和家庭等各領(lǐng)域的應(yīng)用。事實上，德國的“工業(yè)4.0”計劃，也將智能機器人和智能制造技術(shù)作為迎接新工業(yè)革命的切入點。近觀亞洲，機器人技術(shù)較強的日本也制定了機器人技術(shù)長期發(fā)展戰(zhàn)略，將機器人產(chǎn)業(yè)作為“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點扶持的產(chǎn)業(yè)之一。韓國也于2010年發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望2022”，將政策焦點放在了擴大韓國機器人產(chǎn)業(yè)并支持國內(nèi)機器人企業(yè)進軍海外市場等方面。2014年，工業(yè)機器人在中國的銷售量約3.7萬臺，銷售量全球排名第一，中國開始成為最大的機器人消費國。

　　“工業(yè)4.0”強調(diào)的是自動化與信息化的相互融合，而工業(yè)機器人作為自動化制造過程中的重要參與者，其自動化和信息化水平將直接影響著工業(yè)制造的自動化和信息化水平。工業(yè)制造信息化水平的提高，將改變產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，從原來的C2C（Company to Compay，企業(yè)到企業(yè)）模式到未來的C2C（Customer to Company，客戶到企業(yè)）模式，即用戶可以直接面向企業(yè)來個性化定制產(chǎn)品，在很大程度上提高工業(yè)制造的柔性，優(yōu)化和平衡企業(yè)與客戶之間的供需關(guān)系，而信息化水平的提高勢必要求有強大的信息交互與數(shù)據(jù)處理來作為支撐。

　　而當前的機器人所采用的控制系統(tǒng)基本上都是封閉式或半封閉式，即開發(fā)者根據(jù)自己機器人的特定結(jié)構(gòu)，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)進行開發(fā)，用戶很難根據(jù)自己的需求進行二次開發(fā)或功能擴展。這樣的機器人控制系統(tǒng)開放性差，網(wǎng)絡(luò)功能弱，各廠家的產(chǎn)品不兼容，很難滿足“工業(yè)4.0”對信息化提出的要求。

　　另一方面，隨著工業(yè)產(chǎn)品的工藝復(fù)雜程度和精度要求的提高，機器人應(yīng)用場所和應(yīng)用需求的越來越復(fù)雜和苛刻，機器人的計算平臺已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的PC平臺、嵌入式平臺，而擴展到智能手機、平板電腦等移動設(shè)備；機器人配備的傳感器從簡單的光電開關(guān)、觸碰開關(guān)，發(fā)展到觸覺、聲覺、視覺等高端傳感器。機器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信方式也由原來的“脈沖+方向”的通信線纜，發(fā)展到通信更高效、通信數(shù)據(jù)量更大的各種現(xiàn)場總線。機器人控制系統(tǒng)正在朝著開放化的方向發(fā)展。

　　開放式的機器人控制系統(tǒng)強調(diào)可擴展性、可移植性、可裁剪性和互操作性。用戶和企業(yè)可以自行擴展和裁剪系統(tǒng)功能模塊，以適應(yīng)不同應(yīng)用下的功能和性能需求；可以移植到不同操作系統(tǒng)和平臺，并且保持原有的功能；可以與外部其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)甚至操作的交互。所以，開放式機器人控制系統(tǒng)滿足“工業(yè)4.0”的發(fā)展要求，能夠很好的解決當前機器人控制系統(tǒng)信息化程度低的問題。

　　事實上，“開放式機器人控制系統(tǒng)”并不是的一個新概念，國內(nèi)外一些自動化企業(yè)和高校很早就開始著手研究。研究最多的是基于PC的開放式機器人控制系統(tǒng)，利用PC強大的硬件和軟件功能，對PC進行實時性改造，將機器人控制軟件和系統(tǒng)管理管理軟件都運行在PC上，這種實現(xiàn)方式也就是普通意義的全軟件型控制。

　　“工業(yè)4.0”的最顯著特點是智能化生產(chǎn)，其核心是信息物理系統(tǒng)（CPS）的深度融合，智能化生產(chǎn)模式將從大規(guī)模定制向個性化定制轉(zhuǎn)變，而機器人作為智能生產(chǎn)的重要一環(huán)，其開放性將會受到越來越多的關(guān)注。