工業機器人的“大腦”，控制系統知識普及
【摘要】如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢還是不能動作。一方面是因為來自感
官的信號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發出神經信號，驅
使肌肉發生收縮或舒張。同樣，如果機器人只有傳感器和驅動器，機械臂也不能
正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用，驅動電動機也得不到驅動電壓
和電流，所以機器人需要有一個控制器，用硬件坨和軟件組成一個的控制系統，
故控制器有“工業機器人大腦”一稱。
什么是機器人控制系統▼
機器人控制系統的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據操作任務的要求，驅
動機械臂中的各臺電動機就像我們人的活動需要依賴自身的感官一樣，機器人的
運動控制離不開傳感器。機器人需要用傳感器來檢測各種狀態。機器人的內部傳
感器信號被用來反映機械臂關節的實際運動狀態，機器人的外部傳感器信號被用
來檢測工作環境的變化。
所以機器人的神經與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統。機器人的
1 / 6機器人的運動控制系統包含哪些方面▼
執行機構----伺服電機或步進電機；
驅動機構----伺服或者步進驅動器；
控制機構----運動控制器，做路徑和電機聯動的算法運算控制；
控制方式----有固定執行動作方式的，那就編好固定參數的程序給運動控制器；
如果有加視覺系統或者其他傳感器的，根據傳感器信號，就編好不固定參數的程
序給運動控制器
2 / 6機器人控制系統的基本功能▼
1. 控制機械臂末端執行器的運動位置（即控制末端執行器經過的點和移動路
徑）；
2. 控制機械臂的運動姿態（即控制相鄰兩個活動構件的相對位置）；
3. 控制運動速度（即控制末端執行器運動位置隨時間變化的規律）；
4. 控制運動加速度（即控制末端執行器在運動過程中的速度變化）；
5. 控制機械臂中各動力關節的輸出轉矩：（即控制對操作對象施加的作用力）；
6. 具備操作方便的人機交互功能，機器人通過記憶和再現來完成規定的任務；
7. 使機器人對外部環境有檢測和感覺功能。工業機器人配備視覺、力覺、觸覺
等傳感器進行測量、識別，判斷作業條件的變化。
工業機器人控制系統▼
1、工業機器人控制系統硬件結構
控制器是機器人系統的核心，國外有關公司對我國實行嚴密封鎖。近年來隨著微
電子技術的發展，微處理器的性能越來越高，而價格則越來越便宜，目前市場上
已經出現了1-2美金的32位微處理器。高性價比的微處理器為機器人控制器帶
來了新的發展機遇，使開發低成本、高性能的機器人控制器成為可能。為了保證
系統具有足夠的計算與存儲能力，目前機器人控制器多采用計算能力較強的ARM
系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。
此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機器人系統在價格、
性能、集成度和接口等方面的要求，這就產生了機器人系統對SoC（SystemonChip）
技術的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統外圍電路
的設計，縮小系統尺寸，并降低成本。例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理
器內核集成在其FPGA產品上，形成了一個完整的SoC系統。在機器人運動控制
器方面，其研究主要集中在美國和日本，并有成熟的產品，如美國DELTATAU公
司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以DSP技術為核心，采用基于PC的開
放式結構。
3 / 62、工業機器人控制系統體系結構
在控制器體系結構方面，其研究重點是功能劃分和功能之間信息交換的規范。在
開放式控制器體系結構研究方面，有兩種基本結構，一種是基于硬件層次劃分的
結構，該類型結構比較簡單，在日本，體系結構以硬件為基礎來劃分，如三菱重
工株式會社將其生產的PA210可攜帶式通用智能臂式機器人的結構劃分為五層
結構；另一種是基于功能劃分的結構，它將軟硬件一同考慮，其是機器人控制器
體系結構研究和發展的方向。
3、控制軟件開發環境
在機器人軟件開發環境方面，一般工業機器人公司都有自己獨立的開發環境和獨
立的機器人編程語言，如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公
司、瑞典的ABB公司等。很多大學在機器人開發環境
(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，
可在部分機器人硬件結構下進行集成和控制操作，目前已在實驗室環境下進行了
許多相關實驗。國內外現有的機器人系統開發環境有TeamBots，v.2.0e、ARIA，
V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、
MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、
FlowDesigner.v.0.9.0、RobotFlow.v.0.2.6等等。從機器人產業發展來看，對
機器人軟件開發環境有兩方面的需求。一方面是來自機器人最終用戶，他們不僅
使用機器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機器人更多的功能，這種編程往
往是采用可視化編程語言實現的，如樂高MindStormsNXT的圖形化編程環境和微
軟RoboticsStudio提供的可視化編程環境。
4、機器人專用操作系統
（1）VxWorks，VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的
一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是 Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。
VxWorks具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的任務間通信；微秒級
的中斷處理；支持POSIX1003．1b實時擴展標準；支持多種物理介質及標準的、
4 / 6完整的TCP/IP網絡協議等。
（2）WindowsCE，WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE
推廣的一大優勢。WindowsCE為建立針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和
服務提供了一種功能豐富的操作系統平臺，它能在多種處理器體系結構上運行，
并且通常適用于那些對內存占用空間具有一定限制的設備。
（3）嵌入式Linux，由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應
用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改后應用于用
戶自己的系統。有龐大的開發人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux
和C語言即可。支持的硬件數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質區別，
PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都
可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。
（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應
用設計的，可用于8位，16位和32位單片機或數字信號處理器（DSP）。它的
主要特點是公開源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內核、可確定
性等。
（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM
和TMS320C28xTM系列DSP平臺所設計開發的一個尺寸可裁剪的實時多任務操作
系統內核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發工具的組成部分之一。
DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實時內核；實時分析工具；芯片支持庫。
利用實時操作系統開發程序，可以方便快速的開發復雜的DSP程序。
5、機器人伺服通信總線技術
目前國際上還沒有專用于機器人系統中的伺服通信總線，在實際應用過程中，通
常根據系統需求，把常用的一些總線，如以太網、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485
等用于機器人系統中。當前大部分通信控制總線可以歸納為兩類，即基于RS-485
和線驅動技術的串行總線技術和基于實時工業以太網的高速串行總線技術。
5 / 6盤點國內三大領先控制器廠商▼
1、華中數控