机器人控制器系统综述

重庆邮电大学

题目：机器人控制系统综述

学院：先进制造工程学院

科目：嵌入式系统及智能控制器设计教师：刘想德

学生姓名：魏新

学号： S161301016 专业：机械电子工程

机器人控制系统综述

摘要：伴随着机器人技术的飞速发展，机器人走进人们的日常生活，服务于家庭及各类公共场所将不再遥远。目前而言，机器人的发展经历了一个长久的变革，由最初的简单的机械装置到越来越智能化，就机器人控制系统也经过了一系列的发展。本文简述了机器人控制系统，讨论了该系统的分类。综述了机器人控制系统发展历程以及最新的研究内容和成果。

关键词：机器人控制器智能化

一引言

控制系统是决定机器人功能和性能的主要因素，在一定程度上制约着机器人技术的发展，它的主要任务就是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。模块化、层次化的控制器软件系统、网络化机器人控制器技术等关键技术直接影响到机器人的速度、控制精度与可靠性。目前，机器人控制系统将向着基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，伺服驱动技术的数字化和分散化。

二机器人的发展

20世纪60年代，世界上第一台工业机器人在美国诞生[1]，开创了工业化的新纪元。机器人技术的发展标志着一个国家的高科技水平和工业化自动程度。因此，日本欧美等国家政府纷纷耗资去实施与机器人相关的战略计划，许多著名的大学和公司都成立了机器人研究机构。如今，机器人技术得到了飞速的发展，在军事、社会生产、医疗、服务等领域得到广泛运用。半个世纪以来，机器人主要经历了三个发展阶段[2]：

第一代称为示教再现型机器人。该种机器人没有装备任何传感器，对环境无感知能力，智能按照人类编写的固化程序工作。世界上第一台机器人即属此类。

第二代称为感觉型机器人。此种机器人拥有简单的传感器，可以感知外部参数变化，有部分适应外部环境的能力。即可以根据外部环境的不同改变工作内容。

随着机器人应用领域的不断扩大，人类对机器人的期望也变得更高。有时，机器人所处的环境是十分复杂、未知的，设计者不可能考虑到所有的情况并编程控制机器人。因此，一种具有智能的第三代机器人应运而生。这种智能机器人可以认识周围环境和自身状态，并能进行分析和判断，然后采取相应的策略完成任务[3]。目前这种机器人大部分还是用于军事领域。有的学者则提出第四代机器人的概念[4]，主要指2000年以后出现的，拥有人类感情、能够思维的机器人，目前仍在起步和研究阶段。

三机器人控制系统的发展

1. 机器人控制系统的分类

机器人控制系统种类很多，他是现代运动控制系统应用的一个分支。目前常用的运动控制器从结构上主要分为以单片机为核心的机器人控制系统、以PLC为核心的机器人控制系统、基于IPC+运动控制器的工业机器人控制系统。

以单片机为核心的机器人控制系统是把单片机（MCU）嵌入到运动控制器中，能够独立运行并且带有通用接口方式方便与其他设备通讯。单片机是单一芯片集成

了中央处理器、动态存储器、只读存储器、输入输出接口等，利用它设计的运动控制器电路原理简洁、运行性能良好、系统的成本低。

第二种是以PLC为核心的机器人控制系统。PLC即可编程逻辑控制器，一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，专为工业控制设计的计算机，符合工业环境要求。他是自控技术与计算机技术结合而成自动化控制产品。广泛应用于目前的工业控制各个领域。以PLC为核心的机器人控制系统技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性有明显优势，并且有体积小、方便安装维护、互换性强等优点；有整套技术方案供参考，缩短了开发周期。但是和以单片机为核心的机器人控制系统一样，不支持先进的复杂的算法，不能进行复杂的数据处理，虽然一般环境可靠性好但在高频环境下运行不稳定，不能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹。

第三种是基于运动控制器的机器人控制系统。基于IPC+运动控制器是工业机器人系统应用主流和发展趋势。基于IPC机器人控制系统的软件开发成本低，系统兼容性好，系统可靠性强，计算能力优势明显，因此由于计算机平台和嵌入式实时系统的使用为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了硬件方面的保障。

2. 机器人控制技术的研究

随着机器人控制技术的迅猛发展各类机器人已广泛应用于工业、农业、国防、科研、教育以及人们的日常生活等诸多领域。工业机器人运行稳定、速度快、精度高、适应环境能力强，市场前景十分广阔，也是目前技术最成熟，应用最广的一类机器人。机器人控制系统是机器人系统中的指挥中枢，因此机器人控制系统必须可靠性高、功能全面、响应速度快。

哈尔滨工程大学[5]设计的基于PMAC运动控制工业机器人控制系统是一种典型控制系统。采用开放式硬件和软件结构，方便功能扩展适和各种用途的工业机器人，并且设计控制系统时考虑了从控制角度降低系统运行误差。

焊接机器人的作为工业生产机器人，应用十分广泛。尤其是对于我国南方的集中化生产工厂，对于自动化生产机器人的需求十分强烈，同时，对于通过视觉辅助机器人运动进行视觉伺服的功能研发也是今后长时间的研究热点以及对于进一步通过机器人减少人工工作的重要突破口。针对以上问题，浙江大学[6]基于数字图像处理，软件研发的知识，研究了一般的焊接机器人研发方式，通过设计，编程以及验证，研发了焊接机器人的控制软件，并同时对于焊接的相关视觉技术进行了研发。

北京石油化工学院[7]基于PMAC设计了管道缺陷检测机器人的控制系统，采用PC机和PMAC运动控制卡组合的控制模式。PC机控制云台的转动，实现管道缺陷图像的采；PMAC控制机器人本体的运动。实验证明，该控制系统能够对管道缺陷检测机器人进行精确控制，使之准确检测到管道的缺陷。

物流产业对经济发展的贡献日益突出。码垛是提高物流系统中物资搬运效率和存储利用率的重要手段，使用码垛机器人代替人工码垛已经成为物流行业发展的趋势。码垛机器人可以提高生产效率和产品质量，并提高系统应对新的物流需求的能力。上海交通大学[8]探讨了基于Windows/RTX的码垛机器人控制系统软件设计。结合码垛机器人是一个实时多任务系统的特点，搭建了Windows/RTX 的软件平台，在能够继续利用Windows操作系统原有丰富资源的前提下，通过扩展RTX 实时模块弥补了Windows系统在实时性方面的缺陷，满足了机器人控制系统的实时性要求。该系统符合机器人控制器开放性设计的思想，当机器人功能