機(jī)器人控制的一些零碎概念，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制器、PLC、單片機(jī)等，習(xí)慣了從理論和算法上談控制，當(dāng)回到硬件上時(shí)多少對這些概念有些模糊，甚至?xí)鞛橐徽??？刂葡到y(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，本文將從硬件的角度將對控制器進(jìn)行概述。

1 控制

（1）第一代控制

在最早的時(shí)候，控制器是由機(jī)械結(jié)構(gòu)為控制手段的，以基地式儀表、水庫水位測量等為代表，如圖1，如果實(shí)際轉(zhuǎn)速降低到期望值以下，調(diào)速器的離心力下降，控制閥會(huì)上升，進(jìn)入蒸汽量增加，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速隨之增大，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。

圖1 蒸汽速度控制系統(tǒng)

在機(jī)器人方面，有我國著名的木牛流馬、水轉(zhuǎn)百戲木偶、魯班鳥等純機(jī)械控制的機(jī)器人，采用人力、水力、風(fēng)力為動(dòng)力進(jìn)行自動(dòng)結(jié)構(gòu)，以及一些靠彈簧發(fā)條、重力作為驅(qū)動(dòng)力的隨動(dòng)傳動(dòng)機(jī)器人，在當(dāng)今控制領(lǐng)域亦不失為一種精妙的控制手段。

圖2 木牛流馬機(jī)構(gòu)動(dòng)圖

圖3 依靠推力前行的足式設(shè)計(jì)

（2）第二代控制

隨著繼電器控制技術(shù)和調(diào)節(jié)器為代表，發(fā)展出了模擬控制技術(shù)，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以電氣元件、氣動(dòng)元件、液壓元件等為主要機(jī)構(gòu)，控制依靠繼電器與主開關(guān)進(jìn)行控制，如圖4。

圖4 繼電器控制

可編程邏輯控制器PLC是基于繼電器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并迅速簡化了電氣連接，并豐富了控制手段。

如圖5，EPSON六軸機(jī)器人是由PLC邏輯控制不同關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，以滿足一定的動(dòng)作時(shí)序。

圖5 EPSON六軸機(jī)器人

（3）第三代控制

20世紀(jì)70年代后，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，采用單一計(jì)算機(jī)控制整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)即直接數(shù)字控制是第三代控制系統(tǒng)，主要技術(shù)代表包括用于流程工業(yè)的集散控制系統(tǒng)、用于離散工業(yè)的可編程控制器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。

此時(shí)，控制器的種類開始層出不窮，目前控制器有三種主要的控制方式：PLC控制、專用控制、PC-Based控制等，其特點(diǎn)如表1.

表1 不同控制方式及特點(diǎn)

在第三代控制發(fā)展下，控制領(lǐng)域擴(kuò)大到運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、開關(guān)量邏輯控制等，其中運(yùn)動(dòng)控制最常應(yīng)用，并植入復(fù)雜算法以滿足更智能更精準(zhǔn)的功能需求。國產(chǎn)控制器是與國外產(chǎn)品相比，可控制的機(jī)器人類型齊全，主要差距在于操作精度和穩(wěn)定性。

2 控制器

（1）伺服系統(tǒng) 與 控制系統(tǒng)的關(guān)系

伺服系統(tǒng)是系統(tǒng)終端執(zhí)行結(jié)構(gòu)根據(jù)控制控制指令實(shí)現(xiàn)包括位移、轉(zhuǎn)速和力矩等唯獨(dú)動(dòng)作的設(shè)備總成，包括控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、編碼器等組成，決定了自動(dòng)化機(jī)械的精度、控制速度和穩(wěn)定性。

可分為液壓、啟動(dòng)和電氣三類，目前廣泛使用的是電氣伺服系統(tǒng)，其中交流同步伺服已成為高精度伺服系統(tǒng)的主流。

伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)中的一種。

（2）運(yùn)動(dòng)控制器、控制器與驅(qū)動(dòng)器

運(yùn)動(dòng)控制器是控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的控制器，屬于三類控制器中的專用控制器，比如電動(dòng)機(jī)在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。

運(yùn)動(dòng)控制主要涉及步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制，控制結(jié)構(gòu)模式一般是：控制裝置+驅(qū)動(dòng)器+（步進(jìn)或伺服）電機(jī)。

控制裝置可以是PLC系統(tǒng)，也可以是專用的自動(dòng)化裝置（如運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡）。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是用來控制和給電機(jī)供電的一個(gè)器件，其包括電機(jī)控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板兩個(gè)部分（均在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部）。

電機(jī)控制板上面包括主控芯片，pwm輸出電路，濾波電路，加密芯片等部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板部分包括逆變器部分（即ipm或者igbt和二極管的組合），電源轉(zhuǎn)換部分（包括整流部分，電源保護(hù)部分，放電部分等），電流采樣部分（數(shù)字采樣芯片或者電阻采樣等方式），通信部分等等。

所以，三者關(guān)系即運(yùn)動(dòng)控制器屬于控制器中的專用控制器一類，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電機(jī)時(shí)，需要在運(yùn)動(dòng)控制器與電機(jī)之間使用驅(qū)動(dòng)器。

（3）單片機(jī)、嵌入式控制器、PLC與運(yùn)動(dòng)控制卡

單片機(jī)一般用于電子電路的控制器，一般用于控制電路板上的元件，是一種芯片，不能單獨(dú)使用；

而PLC、嵌入式控制器是由單片機(jī)、微控制器組成的通用控制器，可以直接使用；

運(yùn)動(dòng)控制卡則需要基于PC運(yùn)行，屬于PC-based控制器。

（4）Ardunio、arm、單片機(jī)、樹莓派

都用于嵌入式開發(fā)，但ARM是一種處理器架構(gòu)，而單片機(jī)是一個(gè)包含了CPU內(nèi)存ROM等的芯片，Arduino和樹莓派相當(dāng)于老年機(jī)與智能機(jī)的開發(fā)平臺(tái)/板，對比如表2

表2 嵌入式開發(fā)硬件架構(gòu)