李樹民 邸韜 邸仕虎

（蘭州職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾在科幻戲劇《羅素姆萬能機器人》中創(chuàng)造了“機器人”一詞[1]。今天，人們對機器人已經(jīng)不再陌生。在《終結者》、《機械公敵》等美國科幻片中，經(jīng)常可以看見仿真機器人或高智能機器人。但現(xiàn)實中的機器人與導演的幻想仍然存在很大的差距，現(xiàn)實中的工業(yè)機器人是一種高度自動化的機器。

1 機器人及機器人技術的簡史

機器人是依靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種自動化機器，一種具有高度靈活性的、可編程和多功能的操作機；這種機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世紀末，第一次工業(yè)革命在英國興起；20世紀初，美國掀起第二次工業(yè)革命，機器大規(guī)模自動化生產(chǎn)席卷全球。同時，工人的勞動強度與勞動壓力也越來越大（卓別林在《摩登時代》中夸張再現(xiàn)了機器大生產(chǎn)讓工人異化成只會擰螺帽的工作狂）。在這種時代背景下，卡雷爾對于機器人的設想逐漸受到工程師與設計師的重視[2]。二戰(zhàn)后，第三次工業(yè)革命（電子計算機革命）興起，信息論、控制論、仿生學飛速發(fā)展，1959年，世界上第一臺工業(yè)機器人問世。從此，機器人技術進入人類生產(chǎn)，開始取代工人的體力勞動。二十世紀末，第四次工業(yè)夫革命（互聯(lián)網(wǎng)革命）興起，網(wǎng)絡、人工智能又給機器人技術注入了新的動力。今天，機器人技術已經(jīng)發(fā)展成為一門集合人工智能、機械、自動控制、微電子、信息處理、計算機、傳感等多種先進技術于一體的高度交叉的前沿技術?？梢哉f，機器人技術是現(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 機器人的組成

眾所周知，人是由運動、神經(jīng)、呼吸、消化等八大系統(tǒng)組成的?，F(xiàn)實中的機器人亦屬于一項高度復雜的系統(tǒng)工程，一個完整的機器人，一般由執(zhí)行機構（操作機）、驅動裝置、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，機器人不需要呼吸、消化、血液循環(huán)，目前機器人的運動系統(tǒng)仍無法與人類運動系統(tǒng)匹敵）?！僮鳈C由機械手手部（末端執(zhí)行器）、手腕、手臂（機械臂）、機座四部分構成，它模仿人類手臂的動作，完成各類作業(yè)；驅動裝置由驅動器、減速器、檢測元件構成，它將電能轉換成機械能，采取電力驅動、液壓驅動或氣壓驅動的方式，為操作機提供動力；控制系統(tǒng)是人對機器人進行操作的裝置，控制系統(tǒng)包括檢測（傳感器）和控制（電子計算機）兩大部分，檢測機器人運動參數(shù)是否符合要求，并對機器人進行反饋控制，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 機器人運動控制系統(tǒng)的研究與設計

顯而易見，運動控制系統(tǒng)相當于機器人的大腦，沒有運動控制系統(tǒng)，機器人便不可能進行任何工作。運動控制系統(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實現(xiàn)全部控制功能；主從控制，即利用主CPU計算坐標變換、軌跡生成，從CPU用于控制機械手動作；分級控制是主從控制的升級版，上級主控計算機負責整個系統(tǒng)的管理、坐標變換、生成軌跡，下級若干個微處理器分管機械手各個關節(jié)的坐標及伺服控制處理。——機器人的應用越來越廣泛，在研究、設計運動控制系統(tǒng)時，必須考慮：開放式系統(tǒng)結構，否則無法適用于不同類型的機器人；模塊化設計，可以提高系統(tǒng)的可靠性；合理的任務劃分，運動控制系統(tǒng)應包括若干不同的功能模塊，分別實現(xiàn)不同的子任務，以利于修改、增添功能；網(wǎng)絡通訊功能，運動控制系統(tǒng)必須與網(wǎng)絡相連，以實現(xiàn)對多臺機器人的協(xié)同控制與資源共享；形象、直觀的人機接口，以利于人機互動[4]。

我們認為：設計模塊化工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)，應當包括上位機（工業(yè)PC機）、區(qū)域控制器、智能模塊三大部分?！I(yè)PC機負責完成機器人系統(tǒng)管理，將操作員發(fā)出的位姿指令下傳至區(qū)域控制器，并對機器人進行實時監(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、外擴存儲器模塊、電源管理模塊，負責進行機器人各關節(jié)坐標變換、生成軌跡、運動協(xié)調(diào)計算；智能模塊由16位DSP、編碼器接口模塊、CAN總線接口模塊、電機驅動模塊、電源管理模塊、外擴存儲器模塊組成，負責檢測機器人位姿，實時采集機器人工作狀態(tài)，完成機器人各關節(jié)伺服運動控制。

在設計工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)時，應秉持模塊化設計原則，采用組合式結構搭建三級多個CPU控制系統(tǒng)，這樣可以避免集中控制結構封閉、計算負擔重、實時性差的問題；三級多個CPU控制系統(tǒng)其中的每一級控制器分別對應單一、完整的任務，可以實現(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。

在設計工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)時，還應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分散給不同的模塊，大大提高了系統(tǒng)反應的速度。

4 結語

傳統(tǒng)的封閉式運動控制系統(tǒng)只能適用于某一個具體崗位上的機器人。按模塊化方法設計機器人運動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)開放式結構升級，其應用領域將大為擴展，而機器人的使用價值也將進一步擴寬。