摘要：開放式機器人控制器是機器人控制器的發(fā)展方向，本文在總結傳統(tǒng)機器人控制器缺點的基礎上，提出了一種新型開放式機器人控制器結構，并從硬件和軟件兩方面對該結構的具體實現(xiàn)方法做了介紹，目前該控制器在本實驗室已完成了軟硬件調(diào)試。最后對本控制器的優(yōu)點及不足進行了總結。 關鍵詞：機器人；開放式；控制器；PC 目前商品化的機器人系統(tǒng)大多采用封閉結構的專用控制器：采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用控制器進行各關節(jié)伺服控制，并將控制算法固化在ROM中。這種封閉系統(tǒng)很難（或不可能）進行修改。另外，商品化的機器人系統(tǒng)均沒有網(wǎng)絡功能。然而，現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和機器人研究對機器人控制器開放性的要求越來越迫切。近年來，研究和使用開放式機器人控制器成為迫切需求和研究熱點。目前，針對開放式機器人控制已有的研究工作主要集中于機器人結構的定義、實現(xiàn)系統(tǒng)部件的模塊化、接口的標準化、提高軟件代碼的復用性、效率、可維護性、正確性以及程序的易讀性，為用戶提供方便的任務描述和編程環(huán)境等方面。 　　 Willian E-Ford總結了開放式機器人控制器的主要思想： （1）使用基于非專用計算機平臺（如PC，SUN）的開發(fā)系統(tǒng)。 　 （2）使用標準的操作系統(tǒng)（如Windows,Unix）和標準的控制語言（如C/C++，VB）。 　 （3）硬件基于標準總線結構（如ISA,PC/104,STD），能夠與各種外圍設備和傳感器接口。 　 （4）使用網(wǎng)絡策略，實現(xiàn)遠程通訊，并允許對機器人遠程操作。 　 可以根據(jù)上述思想設計開放式機器人控制器，而且設計過程中要盡可能做到模塊化。 1、開放式機器人控制器結構設計 　　 機器人控制系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)，處理復雜性的方法是定義一種結構，把復雜系統(tǒng)分解成 若干個可處理的模塊，每個模塊對外部行為給出一個簡單的接口，忽略或在某種程度上簡化內(nèi)部行為。這方面的研究工作都集中于定義一個與實現(xiàn)平臺無關的抽象模型。 　　 本實驗室按照功能模塊化進行機器人控制器結構設計，提出了如圖1所示的開放式機器人控制器結構。該結構由以下功能模塊構成：機器人本體模塊，運動控制模塊，本地操作模塊和網(wǎng)絡操作模塊。各模塊功能由下至上，構成功能獨立的層次結構。 機器人本體模塊構成機器人控制系統(tǒng)的被控對象。 　 運動控制模塊完成對被控對象的伺服控制。 　 本地操作模塊提供給定位置輸入，本體模塊提供位置、速度等反饋，運動控制模塊根據(jù)輸入和反饋構成閉環(huán)，完成對被控對象的伺服控制。 　 本地操作模塊完成本地操作任務，包括運動操作、算法操作、設備操作等。運動操作指提 供人機接口，使用戶完成機器人運動方面的操作。算法操作是指對運動控制算法進行修改或替換的操作。設備操作是指對系統(tǒng)內(nèi)I/O設備、傳感器設備等的操作。 　 網(wǎng)絡操作模塊完成機器人網(wǎng)絡操作功能。如局域網(wǎng)機器人操作、Internet機器人操作。 2、開放式機器人控制器的實現(xiàn) 　　 機器人控制器的結構設計是與實現(xiàn)平臺無關的抽象模型，他僅從功能層次上對控制器進行了描述。結構設計完成后可通過具體軟硬件進行實現(xiàn)，下文就該控制器結構在本實驗室中的實現(xiàn)進行介紹。 2.1硬件實現(xiàn)及討論 　 目前開放式機器人控制器硬件平臺大致可以分為2類：基于PC總線的系統(tǒng)和基于VME總線的系統(tǒng)。PC總線系統(tǒng)具有一系列的優(yōu)點，如成本低、開放性好、完備的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源、良好的通訊功能、用戶基礎廣泛等，因此成為未來的主要發(fā)展方向。本實驗室控制器的實現(xiàn)采用了基于PC/104總線的系統(tǒng)。PC/104為一個標準PC總線，各引腳信號完全等同于ISA總線，但排列方式比ISA更為緊湊，廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中。 　 本實驗室系統(tǒng)中主要使用了以下硬件設備： 　 （1）臺灣安勤公司PCM3610嵌入式PC，PC/104總線，帶雙以太網(wǎng)口。 　 （2）美國Delta Tau公司的PMAC2PC/104多軸運動控制卡一套（含DPRAM）。 　 （3）安川SGDM伺服放大器和SGMPH電機（含絕對位置碼盤）6套。 　 （4）新松示教盒一個（RS232接口）。 　 （5）新松機器人本體。 　 （6）I/O卡，A/D卡，D/A卡若干。 　 具體硬件實現(xiàn)如圖2所示。 2.1.1機器人本體模塊 　 機器人本體模塊由新松機器人本體、安川交流伺服電機和絕對位置碼盤等構成。他們構成機器人控制系統(tǒng)的被控對象。 2.1.2運動控制模塊 　 運動控制模塊主要由安川交流伺服放大器、PMAC卡、DPRAM（PMAC自帶）等構成。PMACPC/104為美國Delta公司生產(chǎn)的開放式運動控制卡，PC/104總線，以摩托羅拉DSP為核心，可與各種類型伺服放大器配合使用，并且該卡提供用戶伺服算法接口。安川交流伺服放大器通過參數(shù)設置和跳線可工作于多種模式，如位置量輸入模式、速度量輸入模式、力矩量輸入模式。本實驗室通過一塊自制電路板，完成了PMAC和伺服放大器間的信號連接，以及對系統(tǒng)內(nèi)各I/O信號的邏輯控制。  運動控制模塊完成對各電機的伺服控制。系統(tǒng)的運動控制閉環(huán)都在該模塊中,分別為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。由于電機中的電流和力矩成比例關系，所以電流環(huán)也可稱為力矩環(huán)。對于開放式系統(tǒng)，當控制對象發(fā)生變化或運動控制模塊進行修改時，要求系統(tǒng)通過簡單的調(diào)整即能構成所需控制系統(tǒng)和控制功能，并對上層模塊不產(chǎn)生影響。本系統(tǒng)通過PMAC卡和安川伺服放大器的配合使用，以及完善的系統(tǒng)連線和電路板設計，能夠僅通過跳線和參數(shù)設定完成3種控制方式，如圖3所示。 　　 方式一中，位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)都在伺服放大器中，運動控制卡中沒有閉環(huán)，運動控 制卡僅完成傳輸中介的功能，可理解為一比例增益。當該比例增益為1時，運動控制卡可直接從系統(tǒng)中去除，此時本地操作模塊直接將給定位置發(fā)送至伺服放大器，由伺服放大器完成運動控制。大部分商品化機器人均采用這種上位機加伺服放大器的控制系統(tǒng)。由于在伺服放大器內(nèi)部，伺服算法固化在ROM中并通過專用CPU進行伺服計算，因此用戶在該方式下無法修改運動控制模塊及伺服算法。 方式二中，位置環(huán)在運動控制卡中，速度環(huán)和電流環(huán)在伺服放大器中。運動控制卡接受位 置給定量并完成位置控制，而后發(fā)送給定速度量至伺服放大器，由伺服放大器閉合速度環(huán)和電流環(huán)。在該方式下，伺服放大器提供了較高的速度環(huán)剛性和抗干擾能力，由于這些高增益，位置環(huán)只需以較小的比例增益Pp即可達到完成位置控制。但是，由于大部分速度環(huán)剛性來自于速度積分增益Iv，而積分增益會導致一個滯后，增加速度環(huán)調(diào)節(jié)時間，從而使系統(tǒng)對位置指令反應遲緩。因此不適合快速啟動和停止的系統(tǒng)。用于機器人控制時，可減小速度環(huán)積分增益或者設為0。方式二時位置環(huán)控制算法對用戶開放，可使用Motorola DSP匯編語言編寫戶伺服算法，編譯轉(zhuǎn)換后并通過DELTA公司提供接口下載實現(xiàn)。 　　 方式三中，位置環(huán)和速度環(huán)在運動控制卡中，電流環(huán)在伺服放大器中。運動控制卡接受給 定位置并完成位置控制和速度控制，而后發(fā)送給定力矩量至伺服放大器，由伺服放大器閉合力矩環(huán)/電流環(huán)。由于力矩模式伺服放大器性能與誤差積分控制沒有太大關系，而誤差積分控制會導致響應滯后，因此在要求快速加速或減速的系統(tǒng)中，該方式控制性能較好，本實驗室在實現(xiàn)機器人控制時在該方式下取得了較好的效果。方式三時位置環(huán)、速度環(huán)控制算法對用戶開放，可使用Motorola DSP匯編語言編寫戶伺服算法，編譯轉(zhuǎn)換后并通過DELTA公司提供接口下載實現(xiàn)。 2.1.3本地操作模塊 　 本地操作模塊由PC/104嵌入式PC，新松示教盒以及其他PC/104總線設備等構成。采用Wind ows 2000操作系統(tǒng)，采用VB，VC作為開發(fā)工具。示教盒通過RS232串口與PC連接，PMAC、I/O卡、A/D卡、D/A卡等總線設備通過PC/104總線與PC連接，PC機通過集成網(wǎng)卡連接至以太網(wǎng)。該模塊完成本地操作任務，包括運動操作、算法操作、設備操作、機器人網(wǎng)絡操作服務等。 　　 機器人運動操作指首先通過示教盒或機器人語言獲得運動任務，然后經(jīng)過任務規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、軌跡插補得到軌跡點序列，而后將軌跡點序列送至運動控制模塊的過程，最終由運動控制模塊完成匹配軌跡點序列的機器人運動控制。本實驗室機器人系統(tǒng)中，PC機和P MAC卡間可通過兩種方式進行通訊：DPRAM方式和總線方式。采用DPRAM方式時，PC和運動控制卡通過對DPRAM內(nèi)同一單元的訪問實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，DPRAM方式可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，軌跡點序列的傳送即采用該方式；采用總線方式時，運動控制卡類似其他總線設備，PC通過地址線、數(shù)據(jù)線對其進行訪問。 　　 算法操作包括運動控制卡內(nèi)置PID算法參數(shù)修改和用戶伺服算法實現(xiàn)。內(nèi)置PID算法參數(shù)修改通過調(diào)用DELTA公司的動態(tài)鏈接庫函數(shù)實現(xiàn)。用戶伺服算法通過PMAC的用戶伺服算法接口實現(xiàn)，用戶算法使用Motorola DSP匯編語言編寫。 　　 為確保機器人系統(tǒng)的正常工作及系統(tǒng)擴展的要求，機器人系統(tǒng)中須對一些I/O量進行控制，如報警、伺服使能、松抱閘等，機器人系統(tǒng)還須對一些傳感器信號進行采集，如電流、電壓等，本地操作模塊完成對這些I/O設備和傳感器設備的操作。由于采用了標準PC和標準總線，因此任何符合PC/104規(guī)范的外設均可方便的加入到本控制器中，如I/O板，A/D卡、D/A卡、圖像采集卡等，另外由于PC中使用了Windows操作系統(tǒng)，因此能廣泛獲得各外設廠商驅(qū)動上的支持，給用戶提供極大的方便。 　　 本地操作模塊中的PC機通過集成以太網(wǎng)卡連接至HUB或交換機，從而實現(xiàn)了機器人控制器與網(wǎng)絡的連接，通過該連接本地操作模塊為網(wǎng)絡操作模塊提供網(wǎng)絡操作服務。 2.1.4網(wǎng)絡操作模塊 網(wǎng)絡操作模塊由Web服務器、局域網(wǎng)操作客戶端、以太網(wǎng)操作客戶端等構成，該模塊完成機器人網(wǎng)絡操作功能，包括局域網(wǎng)機器人操作和基于Web的互聯(lián)網(wǎng)遠程機器人操作。 　　 現(xiàn)在的過程控制中大多采用現(xiàn)場總線技術，但是現(xiàn)場總線的根本性缺點是他的開放性是有條件，不徹底的。由于以太網(wǎng)的速度很快（可以達到100 Mb/s甚至更高），并且因其具有很好的兼容性、普及性，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向以太控制網(wǎng)絡,以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議的模式逐步進入程控領域。同時,由于以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)能夠方便地實現(xiàn)互連,因此, 采用以太網(wǎng)結合互聯(lián)網(wǎng)為機器人網(wǎng)絡操作的理想方式。 　　 通用對象請求代理體系結構（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）是一種新興的面向?qū)ο蠓植际接嬎慵夹g，使用CORBA體系結構，不同操作系統(tǒng)、不同編程語言、不用網(wǎng)絡協(xié)議的應用系統(tǒng)可以方便的進行互操作，很容易地集成在一起。 　　 本實驗室系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡操作采用了CORBA技術，本地操作模塊中的PC機作為CORBA服務器，提供機器人網(wǎng)絡操作的CORBA服務，局域網(wǎng)內(nèi)的其他PC機作為CORBA客戶端，調(diào)用CORBA服務從而實現(xiàn)機器人的局域網(wǎng)網(wǎng)絡操作。Internet遠程機器人操作采取二級調(diào)用的策略，局域網(wǎng)內(nèi)的Web服務器在互聯(lián)網(wǎng)上提供Web服務，同時在局域網(wǎng)中他又是CORBA客戶端?；ヂ?lián)網(wǎng)遠程操作客戶端首先通過Web服務向Web服務器發(fā)出遠程操作請求，然后，Web服務器根據(jù)請求再向CORBA服務器發(fā)出局域網(wǎng)操作請求，從而實現(xiàn)Internet機器人操作。 2.2軟件實現(xiàn)及討論 　 本實驗室采用模塊化設計方法開發(fā)軟件系統(tǒng)，模塊采用面向?qū)ο蟮亩丝谠O計方法，對象內(nèi)部狀態(tài)和方法對其他模塊隱藏，只有對象的端口對其他對象可見，模塊間通過全局狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫機制進行信息交換。本系統(tǒng)中采用Windows 2000操作系統(tǒng)和 VB語言。軟件結構如圖5所示。 　　 首先基于運動控制卡及其他設備的驅(qū)動建立一函數(shù)庫，該函數(shù)庫向應用程序提供一組標準服務，通過此函數(shù)庫的訪問即可完成用戶所需功能，同時該函數(shù)庫將應用程序與底層軟硬件隔離。本結構中將基于函數(shù)庫的各軟件模塊進行了分類，分別為：運動操作類、算法操作類、總線設備操作類和網(wǎng)絡服務類。 2.2.1運動操作類 　 運動操作類完成機器人運動操作的軟件實現(xiàn)。示教模塊通過再現(xiàn)示教得到運動任務，機器 人語言輸入與解釋模塊通過機器人語言得到運動任務，運動任務包含目標點、運動速度、插補方式等信息。規(guī)劃與插補模塊根據(jù)運動任務完成任務規(guī)劃、軌跡規(guī)劃和軌跡插補，得到機器人軌跡再現(xiàn)點序列。最終再現(xiàn)模塊啟動運動控制卡再現(xiàn)程序并將再現(xiàn)點序列順序送入DPRA M，供PMAC讀取并控制機器人完成相應運動。位置、速度、加速度采集模塊完成機器人各軸或末端的位置、速度、加速度信息采集及信息顯示。 2.2.2算法操作類 　 該操作類包括內(nèi)置PID參數(shù)修改模塊和用戶伺服算法模塊。PID參數(shù)修改模塊調(diào)用delta公司提供的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，提供圖形化人機接口，使用戶能夠?qū)MAC卡上PID算法各參數(shù)進行實時調(diào)整。用戶伺服算法模塊完成用戶算法在系統(tǒng)中的實現(xiàn)，首先使用摩托羅拉DSP匯編語言進行用戶算法編寫，然后經(jīng)編譯轉(zhuǎn)換后生成目標文件，最后通過PAMC提供的接口將目標文件下載到運動控制卡中。DELTA公司還提供了用戶算法評估包，通過該評估包可進行系統(tǒng)性能實時評估，給用戶以很大方便。 2.2.3總線設備操作類 　 I/O設備操作模塊完成系統(tǒng)內(nèi)I/O量的讀寫和邏輯控制，如報警、上電允許、運行燈、繼電器控制等。傳感器設備控制模塊完成系統(tǒng)內(nèi)傳感器信號的采集，如電流、電壓等。其他總線設備操作模塊完成其他擴展總線設備的操作。 2.2.4網(wǎng)絡服務類 　 網(wǎng)絡操作CORBA服務模塊為一獨立類。該模塊提供CORBA規(guī)范的網(wǎng)絡機器人操作服務。具體 實現(xiàn)本實驗室另有文章進行敘述，該文章將CORBA服務器與CORBA客戶端構成獨立整體，進行軟件編寫和敘述。 3、結語 　　 本控制器符合開放式機器人控制器的主要思想。并且軟硬件設計均采用模塊化方法，各模 塊間功能相對獨立、完整。目前，本實驗室已完成了機器人系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，實現(xiàn)了要求 控制功能，充分驗證了本設計的正確性和開放性。與傳統(tǒng)的封閉式控制器相比，本實驗室機 器人系統(tǒng)體現(xiàn)出了諸多的優(yōu)點： 　　 （1） 可以由用戶或第三方開發(fā)人員更換或修改，用戶可以根據(jù)需要進行機器人控制器改型，機器人系統(tǒng)的應用范圍更廣。 　 （2）硬件和軟件結合很容易集成外部傳感器、操作接口 （如力反射）、新的伺服控制規(guī)律等。 　 （3）控制器采用模塊化技術，開發(fā)機器人系統(tǒng)的過程中可以使用經(jīng)過測試、性能良好的子系統(tǒng)模塊，功能模塊的復用可以降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的質(zhì)量和安全性能，保證控制器能滿足需求，不會產(chǎn)生意想不到的致命錯誤，使機器人系統(tǒng)安全性能得到可靠的保證。采用通用模塊使得重復性的開發(fā)工作大大減少，簡化了編程工作，從而減少了整個系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本。 　 （4）實現(xiàn)了平臺、操作系統(tǒng)和用戶接口的標準化，具有減少培訓需求、降低系統(tǒng)支持需求和減少維護成本的前景。 　 （5）硬件和軟件實現(xiàn)的開放式方法使得任何符合接口標準的第三方硬件和軟件包都可以添加到系統(tǒng)中或替換功能相同的部件，從而刺激系統(tǒng)供應商之間的競爭。通過競爭，一方面用戶可以獲得更豐富的硬件和軟件資源，降低實現(xiàn)成本，另一方面也加速了從研究系統(tǒng)向可操作系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，這樣縮短了從研究到商品化產(chǎn)品的周期。 　　 雖然本控制器具有了較多的優(yōu)越性，但仍存在許多需要改進的問題。如提供更好實時處理 能力，提供方便的圖形開發(fā)環(huán)境等。隨著這一系列問題的解決，開放式機器人系統(tǒng)必然會得到更廣泛的應用。