李树民 邸韬 邸仕虎

（兰州职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔在科幻戏剧《罗素姆万能机器人》中创造了“机器人”一词[1]。今天，人们对机器人已经不再陌生。在《终结者》、《机械公敌》等美国科幻片中，经常可以看见仿真机器人或高智能机器人。但现实中的机器人与导演的幻想仍然存在很大的差距，现实中的工业机器人是一种高度自动化的机器。

1 机器人及机器人技术的简史

机器人是依靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种自动化机器，一种具有高度灵活性的、可编程和多功能的操作机；这种机器具备一些类似人类的智能能力，包括感知能力、动作能力、规划能力、协同能力。

18世纪末，第一次工业革命在英国兴起；20世纪初，美国掀起第二次工业革命，机器大规模自动化生产席卷全球。同时，工人的劳动强度与劳动压力也越来越大（卓别林在《摩登时代》中夸张再现了机器大生产让工人异化成只会拧螺帽的工作狂）。在这种时代背景下，卡雷尔对于机器人的设想逐渐受到工程师与设计师的重视[2]。二战后，第三次工业革命（电子计算机革命）兴起，信息论、控制论、仿生学飞速发展，1959年，世界上第一台工业机器人问世。从此，机器人技术进入人类生产，开始取代工人的体力劳动。二十世纪末，第四次工业夫革命（互联网革命）兴起，网络、人工智能又给机器人技术注入了新的动力。今天，机器人技术已经发展成为一门集合人工智能、机械、自动控制、微电子、信息处理、计算机、传感等多种先进技术于一体的高度交叉的前沿技术。可以说，机器人技术是现代工业化的产物，它又反过来推动了现代工业化的发展。

2 机器人的组成

众所周知，人是由运动、神经、呼吸、消化等八大系统组成的。现实中的机器人亦属于一项高度复杂的系统工程，一个完整的机器人，一般由执行机构（操作机）、驱动装置、控制系统、人工智能装置等四大系统共同组成（与人类不同，机器人不需要呼吸、消化、血液循环，目前机器人的运动系统仍无法与人类运动系统匹敌）。——操作机由机械手手部（末端执行器）、手腕、手臂（机械臂）、机座四部分构成，它模仿人类手臂的动作，完成各类作业；驱动装置由驱动器、减速器、检测元件构成，它将电能转换成机械能，采取电力驱动、液压驱动或气压驱动的方式，为操作机提供动力；控制系统是人对机器人进行操作的装置，控制系统包括检测（传感器）和控制（电子计算机）两大部分，检测机器人运动参数是否符合要求，并对机器人进行反馈控制，完成规定的动作[3]；人工智能系统不仅包含传感系统（依靠传感器实现感知功能），还包括决策、规划、专家系统，具有逻辑判断、模式识别、规划操作程序等功能。

3 机器人运动控制系统的研究与设计

显而易见，运动控制系统相当于机器人的大脑，没有运动控制系统，机器人便不可能进行任何工作。运动控制系统的发展，经历集中控制、主从控制、分级控制三个阶段：集中控制，即利用一个CPU实现全部控制功能；主从控制，即利用主CPU计算坐标变换、轨迹生成，从CPU用于控制机械手动作；分级控制是主从控制的升级版，上级主控计算机负责整个系统的管理、坐标变换、生成轨迹，下级若干个微处理器分管机械手各个关节的坐标及伺服控制处理。——机器人的应用越来越广泛，在研究、设计运动控制系统时，必须考虑：开放式系统结构，否则无法适用于不同类型的机器人；模块化设计，可以提高系统的可靠性；合理的任务划分，运动控制系统应包括若干不同的功能模块，分别实现不同的子任务，以利于修改、增添功能；网络通讯功能，运动控制系统必须与网络相连，以实现对多台机器人的协同控制与资源共享；形象、直观的人机接口，以利于人机互动[4]。

我们认为：设计模块化工业机器人运动控制系统，应当包括上位机（工业PC机）、区域控制器、智能模块三大部分。——工业PC机负责完成机器人系统管理，将操作员发出的位姿指令下传至区域控制器，并对机器人进行实时监控；区域控制器包括数字信号处理器（32位DSP）、CAN总线接口模块、以太网模块、外扩存储器模块、电源管理模块，负责进行机器人各关节坐标变换、生成轨迹、运动协调计算；智能模块由16位DSP、编码器接口模块、CAN总线接口模块、电机驱动模块、电源管理模块、外扩存储器模块组成，负责检测机器人位姿，实时采集机器人工作状态，完成机器人各关节伺服运动控制。

在设计工业机器人运动控制系统时，应秉持模块化设计原则，采用组合式结构搭建三级多个CPU控制系统，这样可以避免集中控制结构封闭、计算负担重、实时性差的问题；三级多个CPU控制系统其中的每一级控制器分别对应单一、完整的任务，可以实现更高的系统性能，同时降低开发成本，缩短开发周期。

在设计工业机器人运动控制系统时，还应用分布式控制取代集中式控制。集中式控制会造成连线过多、系统温度过多，而分布式控制不仅避免了这些问题，还将繁重的控制任务分散给不同的模块，大大提高了系统反应的速度。

4 结语

传统的封闭式运动控制系统只能适用于某一个具体岗位上的机器人。按模块化方法设计机器人运动控制系统，可以实现开放式结构升级，其应用领域将大为扩展，而机器人的使用价值也将进一步扩宽。