模塊化工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李樹民 邸韜 邸仕虎

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)器人》中創(chuàng)造了“機(jī)器人”一詞[1]。今天，人們對機(jī)器人已經(jīng)不再陌生。在《終結(jié)者》、《機(jī)械公敵》等美國科幻片中，經(jīng)?？梢钥匆姺抡鏅C(jī)器人或高智能機(jī)器人。但現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人與導(dǎo)演的幻想仍然存在很大的差距，現(xiàn)實(shí)中的工業(yè)機(jī)器人是一種高度自動化的機(jī)器。

1 機(jī)器人及機(jī)器人技術(shù)的簡史

機(jī)器人是依靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種自動化機(jī)器，一種具有高度靈活性的、可編程和多功能的操作機(jī)；這種機(jī)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(guī)劃能力、協(xié)同能力。

18世紀(jì)末，第一次工業(yè)革命在英國興起；20世紀(jì)初，美國掀起第二次工業(yè)革命，機(jī)器大規(guī)模自動化生產(chǎn)席卷全球。同時，工人的勞動強(qiáng)度與勞動壓力也越來越大（卓別林在《摩登時代》中夸張?jiān)佻F(xiàn)了機(jī)器大生產(chǎn)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(jī)器人的設(shè)想逐漸受到工程師與設(shè)計(jì)師的重視[2]。二戰(zhàn)后，第三次工業(yè)革命（電子計(jì)算機(jī)革命）興起，信息論、控制論、仿生學(xué)飛速發(fā)展，1959年，世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世。從此，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入人類生產(chǎn)，開始取代工人的體力勞動。二十世紀(jì)末，第四次工業(yè)夫革命（互聯(lián)網(wǎng)革命）興起，網(wǎng)絡(luò)、人工智能又給機(jī)器人技術(shù)注入了新的動力。今天，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門集合人工智能、機(jī)械、自動控制、微電子、信息處理、計(jì)算機(jī)、傳感等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的高度交叉的前沿技術(shù)?？梢哉f，機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)化的產(chǎn)物，它又反過來推動了現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展。

2 機(jī)器人的組成

眾所周知，人是由運(yùn)動、神經(jīng)、呼吸、消化等八大系統(tǒng)組成的?，F(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人亦屬于一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一個完整的機(jī)器人，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（操作機(jī)）、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、人工智能裝置等四大系統(tǒng)共同組成（與人類不同，機(jī)器人不需要呼吸、消化、血液循環(huán)，目前機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)仍無法與人類運(yùn)動系統(tǒng)匹敵）?！僮鳈C(jī)由機(jī)械手手部（末端執(zhí)行器）、手腕、手臂（機(jī)械臂）、機(jī)座四部分構(gòu)成，它模仿人類手臂的動作，完成各類作業(yè)；驅(qū)動裝置由驅(qū)動器、減速器、檢測元件構(gòu)成，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，采取電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動或氣壓驅(qū)動的方式，為操作機(jī)提供動力；控制系統(tǒng)是人對機(jī)器人進(jìn)行操作的裝置，控制系統(tǒng)包括檢測（傳感器）和控制（電子計(jì)算機(jī)）兩大部分，檢測機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)是否符合要求，并對機(jī)器人進(jìn)行反饋控制，完成規(guī)定的動作[3]；人工智能系統(tǒng)不僅包含傳感系統(tǒng)（依靠傳感器實(shí)現(xiàn)感知功能），還包括決策、規(guī)劃、專家系統(tǒng)，具有邏輯判斷、模式識別、規(guī)劃操作程序等功能。

3 機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

顯而易見，運(yùn)動控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，沒有運(yùn)動控制系統(tǒng)，機(jī)器人便不可能進(jìn)行任何工作。運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展，經(jīng)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(shí)現(xiàn)全部控制功能；主從控制，即利用主CPU計(jì)算坐標(biāo)變換、軌跡生成，從CPU用于控制機(jī)械手動作；分級控制是主從控制的升級版，上級主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理、坐標(biāo)變換、生成軌跡，下級若干個微處理器分管機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)及伺服控制處理?！獧C(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，在研究、設(shè)計(jì)運(yùn)動控制系統(tǒng)時，必須考慮：開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，否則無法適用于不同類型的機(jī)器人；模塊化設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的可靠性；合理的任務(wù)劃分，運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)包括若干不同的功能模塊，分別實(shí)現(xiàn)不同的子任務(wù)，以利于修改、增添功能；網(wǎng)絡(luò)通訊功能，運(yùn)動控制系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡(luò)相連，以實(shí)現(xiàn)對多臺機(jī)器人的協(xié)同控制與資源共享；形象、直觀的人機(jī)接口，以利于人機(jī)互動[4]。

我們認(rèn)為：設(shè)計(jì)模塊化工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)包括上位機(jī)（工業(yè)PC機(jī)）、區(qū)域控制器、智能模塊三大部分?！I(yè)PC機(jī)負(fù)責(zé)完成機(jī)器人系統(tǒng)管理，將操作員發(fā)出的位姿指令下傳至區(qū)域控制器，并對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控；區(qū)域控制器包括數(shù)字信號處理器（32位DSP）、CAN總線接口模塊、以太網(wǎng)模塊、外擴(kuò)存儲器模塊、電源管理模塊，負(fù)責(zé)進(jìn)行機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換、生成軌跡、運(yùn)動協(xié)調(diào)計(jì)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(jī)驅(qū)動模塊、電源管理模塊、外擴(kuò)存儲器模塊組成，負(fù)責(zé)檢測機(jī)器人位姿，實(shí)時采集機(jī)器人工作狀態(tài)，完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動控制。

在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)時，應(yīng)秉持模塊化設(shè)計(jì)原則，采用組合式結(jié)構(gòu)搭建三級多個CPU控制系統(tǒng)，這樣可以避免集中控制結(jié)構(gòu)封閉、計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時性差的問題；三級多個CPU控制系統(tǒng)其中的每一級控制器分別對應(yīng)單一、完整的任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能，同時降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)時，還應(yīng)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(tǒng)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(wù)分散給不同的模塊，大大提高了系統(tǒng)反應(yīng)的速度。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的封閉式運(yùn)動控制系統(tǒng)只能適用于某一個具體崗位上的機(jī)器人。按模塊化方法設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)升級，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋鬄閿U(kuò)展，而機(jī)器人的使用價值也將進(jìn)一步擴(kuò)寬。