胡曉芳

（遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧　遼陽(yáng)　111004）

機(jī)器人的發(fā)展及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉芳

（遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧遼陽(yáng)111004）

機(jī)器人是軟件和硬件的高級(jí)組合，機(jī)器人技術(shù)涉及諸多學(xué)科和領(lǐng)域。機(jī)器人的控制器部分，是指揮機(jī)器人作業(yè)的CPU。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，控制器技術(shù)越來越集成化、高端化。PLC控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制器中不可缺少的一部分。PLC控制系統(tǒng)通過設(shè)備層、控制層、信息層實(shí)現(xiàn)控制功能。在生產(chǎn)生活中，根據(jù)不同的需要，將機(jī)器人生產(chǎn)工藝指向?qū)?yīng)學(xué)科，在社會(huì)的多元化需求和科學(xué)水平不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人生產(chǎn)工藝會(huì)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。

機(jī)器人；控制器；PLC控制系統(tǒng)；機(jī)器人生產(chǎn)工藝

1　機(jī)器人的控制原理及控制器的發(fā)展過程

機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)是機(jī)械體，如果讓機(jī)器人能夠按照人要求的目的去自動(dòng)工作，那么機(jī)器人內(nèi)部控制部分起著類似于人類大腦和神經(jīng)的作用。所有的命令都在大腦總部通過神經(jīng)傳輸，或通過神經(jīng)對(duì)外部感知信息反饋給大腦，從而引導(dǎo)控制機(jī)械體的各種動(dòng)作。機(jī)器人控制系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)與外部信息感知密不可分。實(shí)現(xiàn)外部信息感知這一功能離不開傳感器。

傳感器將機(jī)械體所需的各種外部環(huán)境信息發(fā)送給控制系統(tǒng)中的處理部分。處理器將信息反饋給關(guān)節(jié)控制器，關(guān)節(jié)控制器掌握好了各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)傾向后，促使軀體裝置運(yùn)行，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)工作對(duì)象進(jìn)行目標(biāo)任務(wù)執(zhí)行。

機(jī)器人控制器的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段為單CPU結(jié)構(gòu)集中控制方式，這種控制方式是用一臺(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。這些功能包括系統(tǒng)管理、機(jī)器人語(yǔ)言編譯、人機(jī)接口功能、坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)等運(yùn)算，它的運(yùn)行速度比較緩慢。控制器發(fā)展的第二階段為二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)主從式控制方式。二級(jí)CPU能完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制的同時(shí)完成一級(jí)CPU完成的基本功能。第三發(fā)展階段為多CPU結(jié)構(gòu)分布式控制方式，速度和性能都有所提升。這種控制方式以總控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，從而負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。上位機(jī)與多CPU下位機(jī)用總線連接，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。目前世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器大多采用多CPU分布式控制方式。

那么，多CPU分布式控制方式的實(shí)現(xiàn)形式為工控機(jī)（IPC）與通用運(yùn)動(dòng)控制卡相結(jié)合的方式。這是一種應(yīng)用范圍比較廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有階段，國(guó)內(nèi)機(jī)器人所采用的主要控制器結(jié)構(gòu)形式為嵌入式處理或工控機(jī)與實(shí)際操作系統(tǒng)和高速總線接口相結(jié)合，它是一種開放體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2　IPC與通用運(yùn)動(dòng)控制卡的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

基于PC總線的是以DSP、FPGA、ARM等通用處理器作為核心的板卡控制器。典型代表有美國(guó)Deltatau公司生產(chǎn)的PMAC（Programmultiple Axis Controller）控制器，此控制器的每塊卡可以控制的軸數(shù)多達(dá)32軸。IPC+通用運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)如圖。

IPC+通用運(yùn)動(dòng)控制卡在國(guó)內(nèi)得到一定的應(yīng)用，但這種控制器有它的局限性和缺點(diǎn)。首先，它的開放性差，只能基于獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，并且需要采用專用的微處理芯片、需要專用的開發(fā)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)，控制器只能對(duì)用戶開放一些有限的應(yīng)用程序接口（API）。機(jī)器人應(yīng)用該控制器時(shí)，設(shè)計(jì)人員無(wú)法在對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)根據(jù)機(jī)器人的特殊控制要求對(duì)其功能和控制程序進(jìn)行修改。其次，升級(jí)和維護(hù)困難。人們希望機(jī)器人逐漸能完成復(fù)雜難度高的任務(wù)，這樣對(duì)機(jī)器人內(nèi)部控制器的性能要求提高了。機(jī)器人要控制的節(jié)點(diǎn)不斷增加了，反饋的傳感器信號(hào)不斷增多了。這樣，該控制器的系統(tǒng)擴(kuò)展能力就成了瓶頸。瓶頸主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是處理器的計(jì)算能力，通用板卡無(wú)法任意僅對(duì)處理器型號(hào)進(jìn)行升級(jí)。二是通訊速度瓶頸?？刂破鞑捎贸Ｒ?guī)總線進(jìn)行傳輸，無(wú)法滿足通訊實(shí)時(shí)性要求?？刂破鞑捎媚M信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)的抗噪聲能力很差，造成系統(tǒng)的可靠性較差。通用控制卡的通訊方式也無(wú)法根據(jù)需要進(jìn)行修改和升級(jí)。

KUKA機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)為嵌入式處理器或工控機(jī)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和高速總線接口結(jié)合，是一種開放式體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)為不斷提高計(jì)算速度擴(kuò)大存儲(chǔ)量的處理器軟件為上層軟件用戶定制、運(yùn)動(dòng)策略定制。KUKA的控制器結(jié)構(gòu)采用PC控制方式。在工控機(jī)中，通過VxWin將Windows操作系統(tǒng)和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，充分利用了Windows的強(qiáng)大事件管理能力和VxWorks的高可靠的實(shí)時(shí)性能。VxWork完成實(shí)時(shí)的命令解析、軌跡規(guī)劃等實(shí)時(shí)任務(wù)。工控機(jī)通過多功能卡（MFC），利用EtherCAT高速總線和驅(qū)動(dòng)器及其他外圍電路通訊。提供以太網(wǎng)、串口DeviceNet Profibus和數(shù)字量等接口。解決了“IPC+通用運(yùn)動(dòng)控制卡”控制體系結(jié)構(gòu)的開放性差、升級(jí)和維護(hù)困難的不足。例如，一種控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制器、自主開發(fā)工具包、固定操作面板、移動(dòng)手持終端、模塊化的I/O系統(tǒng)安裝模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、外圍設(shè)備（打印機(jī)、USB等）。

基于PC的控制系統(tǒng)（IPC+通用運(yùn)動(dòng)控制卡）包括PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、對(duì)象、傳感器和數(shù)據(jù)采集卡?；谇度胧娇刂破鞯目刂葡到y(tǒng)（PC+運(yùn)動(dòng)控制卡）包括PC主板、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、對(duì)象傳感器、數(shù)據(jù)采集卡?；赑LC的控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面、PLC驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、對(duì)象傳感器。

下面要介紹一下基于PLC的控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。這種控制系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)便，包括安裝、編程、操作、維修。該系統(tǒng)可靠性高，包括抗干擾、查錯(cuò)等。此系統(tǒng)是一種成熟的工控網(wǎng)絡(luò)體系，通信便捷，易于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

基于PLC的控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備層、控制層、信息層等。其中設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)底層設(shè)備的操作和管理網(wǎng)絡(luò)。它負(fù)責(zé)對(duì)底層設(shè)備的控制、信息采集和傳送，目前，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)主要有Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN總線和EtherCAT等?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)處于三層網(wǎng)絡(luò)的中間層，它主要負(fù)責(zé)對(duì)處于三層網(wǎng)絡(luò)的中間層，它主要負(fù)責(zé)對(duì)處在中間層的各個(gè)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送與控制。信息層網(wǎng)絡(luò)主要用于對(duì)多層網(wǎng)絡(luò)的信息進(jìn)行操作與處理該層網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)注報(bào)文傳輸?shù)母咚傩砸约案呷萘康臄?shù)據(jù)是否能共享。一般采用以太網(wǎng)技術(shù)（Ethernet），可達(dá)100Mbit/s。常用的PLC有三菱PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC、PEC6000等。

3　機(jī)器人內(nèi)部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案及相關(guān)工藝

3.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該最大限度地滿足自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)工藝與自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)層面相近。

3.2設(shè)計(jì)方案要合理。在控制系統(tǒng)能滿足機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備的控制功能的前提下，設(shè)計(jì)方案應(yīng)方便操作人員運(yùn)行和維護(hù)，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，脈絡(luò)清晰?？刂葡到y(tǒng)的自動(dòng)化水平和高性能是我們逐漸追求的目標(biāo)，但不能盲進(jìn)。再次，機(jī)器人控制系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)上都有較高的要求。因此要從工藝水平、技術(shù)成本、軟硬件結(jié)構(gòu)、使用維護(hù)方便等方面對(duì)技術(shù)進(jìn)行深層次的研究。

3.3使機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐中都切實(shí)可行。

機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)工藝涉及諸多方面。包括機(jī)械學(xué)、電學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等很多學(xué)科。根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不同，需要的學(xué)科方向各有差別?？刂圃韴D是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的核心內(nèi)容，這一設(shè)計(jì)讓機(jī)器人控制系統(tǒng)外圍設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)可參，從而選擇相關(guān)工藝與之配合。例如，對(duì)于搬運(yùn)或挪動(dòng)機(jī)器人根據(jù)其作業(yè)內(nèi)容不同，制作材料所選擇的鋼強(qiáng)度不同，這很大程度上影響制造成本。對(duì)于實(shí)驗(yàn)機(jī)器人，包括物理，化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)機(jī)器人，將代替人類完成一些具有危害性和風(fēng)險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)。因此，機(jī)械材料應(yīng)具有較高的耐腐蝕性、耐熱和耐壓性等，同時(shí)需要輕質(zhì)、柔韌性好等特點(diǎn)。對(duì)于水下機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、高空探測(cè)機(jī)器人等，需要在防水工藝，仿人工藝、以及信息傳輸進(jìn)行材料制作和高精度研究。

4　結(jié)語(yǔ)

本文就機(jī)器人的控制原理、控制器的發(fā)展過程、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及相關(guān)工藝分別進(jìn)行了論述與研究。國(guó)內(nèi)外機(jī)器人正逐步向高端化、經(jīng)濟(jì)化的水平發(fā)展，科技水平不斷提升。我們需要從以上幾方面對(duì)機(jī)器人技術(shù)不斷深入研究，才能產(chǎn)生更好更先進(jìn)的技術(shù)成果。

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1003-5168（2015）-12-0133-2