机器人控制系统的相关知识详解

什么是机器人控制系统？

如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢还是不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。

同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制器，用硬件坨和软件组成一个的控制系统。

机器人控制系统的功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机就像我们人的活动需要依赖自身的感官一样，机器人的运动控制离不开传感器。

机器人需要用传感器来检测各种状态。机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化。

所以机器人的神经与大脑组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。

机器人的运动控制系统包含哪些方面？

执行机构－－－－伺服电机或步进电机；

驱动机构－－－－伺服或者步进驱动器；

控制机构－－－－运动控制器，做路径和电机联动的算法运算控制；

控制方式－－－－有固定执行动作方式的，那就编好固定参数的程序给运动控制器；如果有加视觉系统或者其他传感器的，根据传感器信号，就编好不固定参数的程序给运动控制器。

机器人控制系统的基本功能

控制机械臂末端执行器的运动位置（ 即控制末端执行器经过的点和移动路径）

控制机械臂的运动姿态（即控制相邻两个活动构件的相对位置）

控制运动速度（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）

控制运动加速度（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）

控制机械臂中各动力关节的输出转矩：（即控制对操作对象施加的作用力）

具备操作方便的人机交互功能，机器人通过记忆和再现来完成规定的任务

使机器人对外部环境有检测和感觉功能。工业机器人配备视觉、力觉、触觉等传感器进行测量、识别，判断作业条件的变化。

工业机器人控制系统

1、工业机器人控制系统硬件结构

控制器是机器人系统的核心，国外有关公司对我国实行严密封锁。近年来随着微电子技术的发展，微处理器的性能越来越高，而价格则越来越便宜，目前市场上已经出现了1－2美金的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。为了保证系统具有足够的计算与存储能力，目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。

此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求，这就产生了机器人系统对SoC（SystemonChip）技术的需求，将特定的处理器与所需要的接口集成在一起，可简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，并降低成本。例如，Actel公司将NEOS或ARM7的处理器内核集成在其FPGA产品上，形成了一个完整的SoC系统。在机器人运动控制器方面，其研究主要集中在美国和日本，并有成熟的产品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。

2、工业机器人控制系统体系结构

在控制器体系结构方面，其研究重点是功能划分和功能之间信息交换的规范。在开放式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构，一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单，在日本，体系结构以硬件为基础来划分，如三菱重工株式会社将其生产的PA210可携带式通用智能臂式机器人的结构划分为五层结构；另一种是基于功能划分的结构，它将软硬件一同考虑，其是机器人控制器体系结构研究和发展的方向。

3、控制软件开发环境

在机器人软件开发环境方面，一般工业机器人公司都有自己独立的开发环境和独立的机器人编程语言，如日本Motoman公司、德国KUKA公司、美国的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大学在机器人开发环境（RobotDevelopmentEnvironment）方面已有大量研究工作，提供了很多开放源码，可在部分机器人硬件结构下进行集成和控制操作，目前已在实验室环境下进行了许多相关实验。

国内外现有的机器人系统开发环境有TeamBots，v．2．0e、ARIA，V．2．4．1、Player／Stage，v．1．6．5．1．6．2、Pyro．v．4．6．0、CARMEN．v．1．1．1、MissionLab．v．6．0、ADE．V．1．0beta、Miro．v．CVS－March17．2006、MARIE．V．0．4．0、FlowDesigner．v．0．9．0、RobotFlow．v．0．2．6等等。从机器人产业发展来看，对机器人软件开发环境有两方面的需求。一方面是来自机器人最终用户，他们不仅使用机器人，而且希望能够通过编程的方式赋予机器人更多的功能，这种编程往往是采用可视化编程语言实现的，如乐高MindStormsNXT的图形化编程环境和微软RoboticsStudio提供的可视化编程环境。

4、机器人专用操作系统

（1）VxWorks，VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通信；微秒级的中断处理；支持POSIX1003．1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP／IP网络协议等。

（2）WindowsCE，WindowsCE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE推广的一大优势。WindowsCE为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。

（3）嵌入式Linux，由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用。其中大部分都遵从GPL，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有庞大的开发人员群体，无需专门的人才，只要懂Unix／Linux和C语言即可。支持的硬件数量庞大。嵌入式Linux和普通Linux并无本质区别，PC上用到的硬件嵌入式Linux几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。

（4）μC／OS－Ⅱ，μC／OS－Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。它的主要特点是公开源代码、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式内核、可确定性等。

（5）DSP／BIOS，DSP／BIOS是TI公司特别为其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平台所设计开发的一个尺寸可裁剪的实时多任务操作系统内核，是TI公司的CodeComposerStudioTM开发工具的组成部分之一。DSP／BIOS主要由三部分组成：多线程实时内核；实时分析工具；芯片支持库。利用实时操作系统开发程序，可以方便快速的开发复杂的DSP程序。

5、机器人伺服通信总线技术

目前国际上还没有专用于机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中，通常根据系统需求，把常用的一些总线，如以太网、CAN、1394、SERCOS、USB、RS－485等用于机器人系统中。当前大部分通信控制总线可以归纳为两类，即基于RS－485和线驱动技术的串行总线技术和基于实时工业以太网的高速串行总线技术。

（1）开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器（RC），运动控制器（MC），光电隔离I／O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器（RC）和编程示教盒通过串口／CAN总线进行通讯。机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I／O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

（2）模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

（3）机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

（4）网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

审核编辑 黄昊宇