機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　　機(jī)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(huì)的進(jìn)步，對(duì)機(jī)器人的性能提出更高的耍求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究己成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力/位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)屮的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對(duì)機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。

　　但是，機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采用專用計(jì)箅機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機(jī)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(jī)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(jì)箅能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制的要求，所以目前絕人多數(shù)商用機(jī)器人都是釆用單軸PID控制，難以滿足機(jī)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(jì)箅速度上有了很大突破，能保證實(shí)時(shí)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(jì)，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(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對(duì)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(diǎn)，如程序設(shè)計(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。

　　綜合起來，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問題，如：

　?。?）開放性差

　　局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

　　（2）軟件獨(dú)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(cuò)性差

　　由干并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

　?。?）擴(kuò)展性差

　　目前，機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級(jí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊。

　?。?）缺少網(wǎng)絡(luò)功能

　　現(xiàn)在幾乎所有的機(jī)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(jī)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(kuò)充和更改。例如，商品化的Motoman機(jī)器人的控制器是不開放的，用戶難以根據(jù)自己需要對(duì)其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對(duì)其詳細(xì)解剖分析，然后對(duì)其改造。

　　工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

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

　　機(jī)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(guó)的高度關(guān)注，主要經(jīng)濟(jì)體紛紛將發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，并以此作為保持和重獲制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要手段。美國(guó)2013年發(fā)布了機(jī)器人發(fā)展路線報(bào)告，將現(xiàn)今的機(jī)器人與上世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)定位于同等重要的地位。機(jī)器人將影響人類生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面，并被列為美國(guó)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)變革、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心技術(shù)。2014年，歐盟啟動(dòng)了全球最大的民用機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃“SPARC”，根據(jù)該計(jì)劃，到2020年歐委會(huì)將投資7億歐元，euRobotics協(xié)會(huì)將投資21億歐元推動(dòng)機(jī)器人研發(fā)，研發(fā)內(nèi)容包括機(jī)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(shí)上，德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃，也將智能機(jī)器人和智能制造技術(shù)作為迎接新工業(yè)革命的切入點(diǎn)。近觀亞洲，機(jī)器人技術(shù)較強(qiáng)的日本也制定了機(jī)器人技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)之一。韓國(guó)也于2010年發(fā)布了“機(jī)器人未來戰(zhàn)略展望2022”，將政策焦點(diǎn)放在了擴(kuò)大韓國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)并支持國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)進(jìn)軍海外市場(chǎng)等方面。2014年，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)的銷售量約3.7萬臺(tái)，銷售量全球排名第一，中國(guó)開始成為最大的機(jī)器人消費(fèi)國(guó)。

　　“工業(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)的是自動(dòng)化與信息化的相互融合，而工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化制造過程中的重要參與者，其自動(dòng)化和信息化水平將直接影響著工業(yè)制造的自動(dòng)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(gè)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(shì)必要求有強(qiáng)大的信息交互與數(shù)據(jù)處理來作為支撐。

　　而當(dāng)前的機(jī)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(jī)器人的特定結(jié)構(gòu)，采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，用戶很難根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開發(fā)或功能擴(kuò)展。這樣的機(jī)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(duì)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(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)所和應(yīng)用需求的越來越復(fù)雜和苛刻，機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的PC平臺(tái)、嵌入式平臺(tái)，而擴(kuò)展到智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備；機(jī)器人配備的傳感器從簡(jiǎn)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(jī)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(chǎng)總線。機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)可擴(kuò)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(kuò)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(tái)，并且保持原有的功能；可以與外部其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)甚至操作的交互。所以，開放式機(jī)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(dāng)前機(jī)器人控制系統(tǒng)信息化程度低的問題。

　　事實(shí)上，“開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)”并不是的一個(gè)新概念，國(guó)內(nèi)外一些自動(dòng)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(jī)器人控制系統(tǒng)，利用PC強(qiáng)大的硬件和軟件功能，對(duì)PC進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造，將機(jī)器人控制軟件和系統(tǒng)管理管理軟件都運(yùn)行在PC上，這種實(shí)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(diǎn)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(gè)性化定制轉(zhuǎn)變，而機(jī)器人作為智能生產(chǎn)的重要一環(huán)，其開放性將會(huì)受到越來越多的關(guān)注。