運(yùn)動(dòng)控制器是指以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。它的主要任務(wù)是根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器件的信號(hào)進(jìn)行必要的邏輯/數(shù)學(xué)運(yùn)算，為電機(jī)或其它動(dòng)力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制器的軸數(shù)一般指它所能控制獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，在大多數(shù)情況下等于所能控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)目。我們把所能控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)目大于1的運(yùn)動(dòng)控制器，稱為多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的是專用的計(jì)算機(jī)加多單片機(jī)-多控制回路的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器在高速、高精度和多軸同步運(yùn)動(dòng)控制等方面存在技術(shù)瓶頸。此外還存在制造和使用成本高，開發(fā)周期長，升級(jí)換代困難，無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點(diǎn)，這在一定程度上限制了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

　　本文介紹一種基于國產(chǎn)MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn)在于它采用通用個(gè)人計(jì)算機(jī)加DSP（Digital Signal Processor）-多控制回路的開放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特性。以下對(duì)這一系統(tǒng)作簡要介紹。  

　　1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　如上節(jié)所述，機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用國產(chǎn)MCT8000／2－8軸運(yùn)動(dòng)控制器及其控制軟件可以高效構(gòu)造出新一代高速、高精度開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

　　 MCT8000運(yùn)動(dòng)控制器是由深圳市摩信科技有限公司開發(fā)的新一代開放式結(jié)構(gòu)2-8軸運(yùn)動(dòng)控制器系列產(chǎn)品。該控制器的CPU采用美國TI公司的TMS320C31 40MHz DSP，支持ISA、PCI標(biāo)準(zhǔn)總線或USB高速接口與主控機(jī)連接。主控機(jī)與控制器之間通過雙向高速FIFO進(jìn)行通訊，可提供2－8軸的高速，高精度的伺服控制。主控機(jī)可選用通用的PC系列微機(jī)。和傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品相比，MCT8000系列產(chǎn)品具有開放式結(jié)構(gòu)，高速、高精度，網(wǎng)際在線控制，多軸同步控制等功能特點(diǎn)。

　　 MCT8000提供的軟件包括：運(yùn)動(dòng)控制卡的BIOS函數(shù)庫（用戶可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫（1~3維的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)）、擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫（機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和智能PLC代碼翻譯器等）和網(wǎng)際在線控制器（基于TCP/IP的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全通訊協(xié)議）。利用MCT8000提供的軟件系統(tǒng)和圖形化的開發(fā)平臺(tái)，可大大地縮短機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。

　　 由MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成機(jī)器人控制器的系統(tǒng)組成如圖1所示。本系統(tǒng)采用PC總線的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，處理機(jī)器人控制中的非實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)時(shí)任務(wù)由MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡處理。運(yùn)動(dòng)控制卡控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)(可同時(shí)控制8個(gè)關(guān)節(jié))，使機(jī)器人按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。
 
　　2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　本機(jī)器人控制系統(tǒng)的操作平臺(tái)采用JAVA語言開發(fā)，具有專業(yè)化視窗圖形界面和優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)在線控制特性。用戶只需借用視窗控件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單的配置（如選擇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、設(shè)定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)等），即可控制不同類型的機(jī)器人。用戶還可以在本控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開發(fā)，加入自己的功能模塊，如各種高級(jí)的控制算法、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)器人視覺系統(tǒng)等，形成具有用戶特色的機(jī)器人控制器。

　　圖2為我們研制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。它主要由控制器的人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制以及DSP主控程序等模塊組成。

　　2.1 控制器人機(jī)界面

　　利用MCT8000的運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)平臺(tái)，用戶在Windows環(huán)境下可完成下列非實(shí)時(shí)任務(wù)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置；在線調(diào)整系統(tǒng)的可控參數(shù)(如PID參數(shù)的自整定)；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示；系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇（手動(dòng)/自動(dòng)、示教或網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制）和常規(guī)操作（啟動(dòng)、文件處理和緊急停機(jī)等）。用戶可在開發(fā)平臺(tái)提供的C環(huán)境和程序模板下，針對(duì)特定的作業(yè)要求，編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序，并對(duì)其編譯、連接和執(zhí)行。應(yīng)用MCT8000的網(wǎng)際控制軟件包，可通過英特網(wǎng)或局域網(wǎng)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　2.2 運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制（PLC）模塊

    本模塊處理機(jī)器人控制器的實(shí)時(shí)任務(wù)，由MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡完成。

    運(yùn)動(dòng)控制的主要功能，是控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，完成相關(guān)作業(yè)。主要包括：軌跡規(guī)劃、機(jī)器人正向、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、插補(bǔ)器和PID調(diào)節(jié)器等模塊。而邏輯控制（PLC）模塊用于控制機(jī)器人系統(tǒng)的開關(guān)量。

　　2.3 DSP主控程序

    MCT8000運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)行機(jī)制，是按預(yù)先設(shè)定的中斷時(shí)間周期地執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)控制指令。DSP主控程序在前臺(tái)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)控制程序的運(yùn)行狀態(tài)，在后臺(tái)響應(yīng)用戶的實(shí)時(shí)控制命令，控制底層控制環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行。

 圖2 摩信機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　3 應(yīng)用實(shí)例

    圖3是應(yīng)用本控制器對(duì)日本SONY公司所產(chǎn)SCARA機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)際遠(yuǎn)程控制的實(shí)例。使用摩信機(jī)器人控制器控制日本SONY公司所產(chǎn)SCARA機(jī)器人，不但可以達(dá)到原機(jī)器人控制器的控制效果，而且可以從速度，精度，環(huán)境感知能力以及網(wǎng)絡(luò)控制特性多方面改善原機(jī)器人的特性。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用國產(chǎn)MCT8000運(yùn)動(dòng)控制器可以方便地構(gòu)造新一代高性能機(jī)器人控制器，特別對(duì)于實(shí)施一些高精尖的機(jī)器人工程項(xiàng)目，具有事半功倍的效果。

圖3 摩信SCARA機(jī)器人控制器的網(wǎng)際操作界面 

　　4 結(jié)論

　　采用國產(chǎn)MCT8000 系列新一代多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)造機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從根本上解決傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)在高速、高精度和多軸同步運(yùn)動(dòng)控制等方面存在的技術(shù)瓶頸。同時(shí)還可以輕松地給機(jī)器人增加外部傳感器和網(wǎng)際控制功能。它代表了新一代機(jī)器人控制器的發(fā)展方向，也為解決一些高難度機(jī)器人工程項(xiàng)目提供軟硬件技術(shù)支撐。