机器人控制系统的发展趋势

　　机器人控制器存在的问题

　　随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步，对机器人的性能提出更高的耍求。智能机器人技术的研究己成为机器人领域的主要发展方向，如各种精密装配机器人，力/位置混合控制机器人，多肢体协调控制系统以及先进制造系统屮的机器人的研究等。相应的，对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。

　　但是，机器人自诞生以來，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计箅机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器。这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要求。

　　从前面提到的两类机器人控制器来看，串行处理结构控制器的结构封闭，功能单一，且计箅能力差，难以保证实时控制的要求，所以目前绝人多数商用机器人都是釆用单轴PID控制，难以满足机器人控制的高速、高精度的要求。虽然分布式结构在一定层次上是开放的，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和通讯的需要，但它只是在有限范围内开放。

　　并行处理结构控制器虽然能从计箅速度上有了很大突破，能保证实时控制的需要，但我们必须看到还存在许多问题。目前的并行处理控制器研究一般集中于机器人运动学、动力学模型的并行处理方面，基于并行算法和多处理器结构的映射特征来设计，即通过分解给定任务，得到若干子任务，列山数据相关流图，实现各子任务在对应处理器上的并行处理。由于并行算法中通讯、同步等内在特点，如程序设计不当则易出现锁死与通讯堵塞等现象。

　　综合起来，现有机器人控制器存在很多问题，如：

　　（1）开放性差

　　局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。封闭的控制器结构使其具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进。

　　（2）软件独立性差

　　软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。

　　（3）容错性差

　　由干并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。

　　（4）扩展性差

　　目前，机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能。由于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。

　　（5）缺少网络功能

　　现在几乎所有的机器人控制器都没有网络功能。

　　总起来看，前面提到的无论串行结构还是并行结构的机器人控制器都不是开放式结构，无论从软件还是硬件都难以扩充和更改。例如，商品化的Motoman机器人的控制器是不开放的，用户难以根据自己需要对其修改、扩充功能，通常的做法是对其详细解剖分析，然后对其改造。

　　工业机器人控制系统发展趋势

　　2012年，美国提出“工业互联网”；2013年，德国提出“工业4.0”；2015年，中国提出“中国制造2025”。2012年，美国提出“工业互联网”；2013年，德国提出“工业4.0”；2015年，中国提出“中国制造2025”。近几年，许多国家或组织对未来的工业发展都相继制定了规划蓝图，并且，这些蓝图都从本质上都指出了未来工业制造的发展趋势，即更加突出自动化、信息化和智能化。

　　机器人作为工业制造的重要参与者，其发展越来越受到世界各国的高度关注，主要经济体纷纷将发展机器人产业上升为国家战略，并以此作为保持和重获制造业竞争优势的重要手段。美国2013年发布了机器人发展路线报告，将现今的机器人与上世纪互联网定位于同等重要的地位。机器人将影响人类生活和经济社会发展的各个方面，并被列为美国实现制造业变革、促进经济发展的核心技术。2014年，欧盟启动了全球最大的民用机器人研发计划“SPARC”，根据该计划，到2020年欧委会将投资7亿欧元，euRobotics协会将投资21亿欧元推动机器人研发，研发内容包括机器人在制造业、农业、健康、交通、安全和家庭等各领域的应用。事实上，德国的“工业4.0”计划，也将智能机器人和智能制造技术作为迎接新工业革命的切入点。近观亚洲，机器人技术较强的日本也制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业作为“新产业发展战略”中7大重点扶持的产业之一。韩国也于2010年发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场等方面。2014年，工业机器人在中国的销售量约3.7万台，销售量全球排名第一，中国开始成为最大的机器人消费国。

　　“工业4.0”强调的是自动化与信息化的相互融合，而工业机器人作为自动化制造过程中的重要参与者，其自动化和信息化水平将直接影响着工业制造的自动化和信息化水平。工业制造信息化水平的提高，将改变产品的生产模式，从原来的C2C（Company to Compay，企业到企业）模式到未来的C2C（Customer to Company，客户到企业）模式，即用户可以直接面向企业来个性化定制产品，在很大程度上提高工业制造的柔性，优化和平衡企业与客户之间的供需关系，而信息化水平的提高势必要求有强大的信息交互与数据处理来作为支撑。

　　而当前的机器人所采用的控制系统基本上都是封闭式或半封闭式，即开发者根据自己机器人的特定结构，采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统进行开发，用户很难根据自己的需求进行二次开发或功能扩展。这样的机器人控制系统开放性差，网络功能弱，各厂家的产品不兼容，很难满足“工业4.0”对信息化提出的要求。

　　另一方面，随着工业产品的工艺复杂程度和精度要求的提高，机器人应用场所和应用需求的越来越复杂和苛刻，机器人的计算平台已经不仅仅局限于传统的PC平台、嵌入式平台，而扩展到智能手机、平板电脑等移动设备；机器人配备的传感器从简单的光电开关、触碰开关，发展到触觉、声觉、视觉等高端传感器。机器人伺服系统与控制系统之间的通信方式也由原来的“脉冲+方向”的通信线缆，发展到通信更高效、通信数据量更大的各种现场总线。机器人控制系统正在朝着开放化的方向发展。

　　开放式的机器人控制系统强调可扩展性、可移植性、可裁剪性和互操作性。用户和企业可以自行扩展和裁剪系统功能模块，以适应不同应用下的功能和性能需求；可以移植到不同操作系统和平台，并且保持原有的功能；可以与外部其他系统进行数据甚至操作的交互。所以，开放式机器人控制系统满足“工业4.0”的发展要求，能够很好的解决当前机器人控制系统信息化程度低的问题。

　　事实上，“开放式机器人控制系统”并不是的一个新概念，国内外一些自动化企业和高校很早就开始着手研究。研究最多的是基于PC的开放式机器人控制系统，利用PC强大的硬件和软件功能，对PC进行实时性改造，将机器人控制软件和系统管理管理软件都运行在PC上，这种实现方式也就是普通意义的全软件型控制。

　　“工业4.0”的最显著特点是智能化生产，其核心是信息物理系统（CPS）的深度融合，智能化生产模式将从大规模定制向个性化定制转变，而机器人作为智能生产的重要一环，其开放性将会受到越来越多的关注。