機器人控制器存在的問題

　　隨著現代科學技術的飛速發展和社會的進步，對機器人的性能提出更高的耍求。智能機器人技術的研究己成為機器人領域的主要發展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人，多肢體協調控制系統以及先進制造系統屮的機器人的研究等。相應的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。

　　但是，機器人自誕生以來，特別是工業機器人所采用的控制器基本上都是開發者基于自己的獨立結構進行開發的，采用專用計箅機、專用機器人語言、專用操作系統、專用微處理器。這樣的機器人控制器已不能滿足現代工業發展的要求。

　　從前面提到的兩類機器人控制器來看，串行處理結構控制器的結構封閉，功能單一，且計箅能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕人多數商用機器人都是釆用單軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結構在一定層次上是開放的，可以根據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開放。

　　并行處理結構控制器雖然能從計箅速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，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器人運動學、動力學模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結構的映射特征來設計，即通過分解給定任務，得到若干子任務，列山數據相關流圖，實現各子任務在對應處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內在特點，如程序設計不當則易出現鎖死與通訊堵塞等現象。

　　綜合起來，現有機器人控制器存在很多問題，如：

　　（1）開放性差

　　局限于“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結構。封閉的控制器結構使其具有特定的功能、適應于特定的環境，不便于對系統進行擴展和改進。

　　（2）軟件獨立性差

　　軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，難以在不同的系統間移植。

　　（3）容錯性差

　　由干并行計算中的數據相關性、通訊及同步等內在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導致整個系統的癱瘓。

　　（4）擴展性差

　　目前，機器人控制器的研究著重于從關節這一級來改善和提高系統的性能。由于結構的封閉性，難以根據需要對系統進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊。

　　（5）缺少網絡功能

　　現在幾乎所有的機器人控制器都沒有網絡功能。

　　總起來看，前面提到的無論串行結構還是并行結構的機器人控制器都不是開放式結構，無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改。例如，商品化的Motoman機器人的控制器是不開放的，用戶難以根據自己需要對其修改、擴充功能，通常的做法是對其詳細解剖分析，然后對其改造。

　　工業機器人控制系統發展趨勢

　　2012年，美國提出“工業互聯網”；2013年，德國提出“工業4.0”；2015年，中國提出“中國制造2025”。2012年，美國提出“工業互聯網”；2013年，德國提出“工業4.0”；2015年，中國提出“中國制造2025”。近幾年，許多國家或組織對未來的工業發展都相繼制定了規劃藍圖，并且，這些藍圖都從本質上都指出了未來工業制造的發展趨勢，即更加突出自動化、信息化和智能化。

　　機器人作為工業制造的重要參與者，其發展越來越受到世界各國的高度關注，主要經濟體紛紛將發展機器人產業上升為國家戰略，并以此作為保持和重獲制造業競爭優勢的重要手段。美國2013年發布了機器人發展路線報告，將現今的機器人與上世紀互聯網定位于同等重要的地位。機器人將影響人類生活和經濟社會發展的各個方面，并被列為美國實現制造業變革、促進經濟發展的核心技術。2014年，歐盟啟動了全球最大的民用機器人研發計劃“SPARC”，根據該計劃，到2020年歐委會將投資7億歐元，euRobotics協會將投資21億歐元推動機器人研發，研發內容包括機器人在制造業、農業、健康、交通、安全和家庭等各領域的應用。事實上，德國的“工業4.0”計劃，也將智能機器人和智能制造技術作為迎接新工業革命的切入點。近觀亞洲，機器人技術較強的日本也制定了機器人技術長期發展戰略，將機器人產業作為“新產業發展戰略”中7大重點扶持的產業之一。韓國也于2010年發布了“機器人未來戰略展望2022”，將政策焦點放在了擴大韓國機器人產業并支持國內機器人企業進軍海外市場等方面。2014年，工業機器人在中國的銷售量約3.7萬臺，銷售量全球排名第一，中國開始成為最大的機器人消費國。

　　“工業4.0”強調的是自動化與信息化的相互融合，而工業機器人作為自動化制造過程中的重要參與者，其自動化和信息化水平將直接影響著工業制造的自動化和信息化水平。工業制造信息化水平的提高，將改變產品的生產模式，從原來的C2C（Company to Compay，企業到企業）模式到未來的C2C（Customer to Company，客戶到企業）模式，即用戶可以直接面向企業來個性化定制產品，在很大程度上提高工業制造的柔性，優化和平衡企業與客戶之間的供需關系，而信息化水平的提高勢必要求有強大的信息交互與數據處理來作為支撐。

　　而當前的機器人所采用的控制系統基本上都是封閉式或半封閉式，即開發者根據自己機器人的特定結構，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統進行開發，用戶很難根據自己的需求進行二次開發或功能擴展。這樣的機器人控制系統開放性差，網絡功能弱，各廠家的產品不兼容，很難滿足“工業4.0”對信息化提出的要求。

　　另一方面，隨著工業產品的工藝復雜程度和精度要求的提高，機器人應用場所和應用需求的越來越復雜和苛刻，機器人的計算平臺已經不僅僅局限于傳統的PC平臺、嵌入式平臺，而擴展到智能手機、平板電腦等移動設備；機器人配備的傳感器從簡單的光電開關、觸碰開關，發展到觸覺、聲覺、視覺等高端傳感器。機器人伺服系統與控制系統之間的通信方式也由原來的“脈沖+方向”的通信線纜，發展到通信更高效、通信數據量更大的各種現場總線。機器人控制系統正在朝著開放化的方向發展。

　　開放式的機器人控制系統強調可擴展性、可移植性、可裁剪性和互操作性。用戶和企業可以自行擴展和裁剪系統功能模塊，以適應不同應用下的功能和性能需求；可以移植到不同操作系統和平臺，并且保持原有的功能；可以與外部其他系統進行數據甚至操作的交互。所以，開放式機器人控制系統滿足“工業4.0”的發展要求，能夠很好的解決當前機器人控制系統信息化程度低的問題。

　　事實上，“開放式機器人控制系統”并不是的一個新概念，國內外一些自動化企業和高校很早就開始著手研究。研究最多的是基于PC的開放式機器人控制系統，利用PC強大的硬件和軟件功能，對PC進行實時性改造，將機器人控制軟件和系統管理管理軟件都運行在PC上，這種實現方式也就是普通意義的全軟件型控制。

　　“工業4.0”的最顯著特點是智能化生產，其核心是信息物理系統（CPS）的深度融合，智能化生產模式將從大規模定制向個性化定制轉變，而機器人作為智能生產的重要一環，其開放性將會受到越來越多的關注。