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一、研究目的
建立开放式、模块化先进机器人控制平台，提出先进机器人的控制理论与方法，为长远的多机器人协调与控制的发展奠定基础。
二、研究意义
1控制器结构的开放，是机器人功能柔性化的必要前提
传统机器人控制器(controler)缺乏独立性，控制器的功能取决于机器人所需要完成的任务，而控制器的伺服以及规划算法所用参数都直接来自本体：低层位置伺服算法要根据操作机的伺服电机和伺服放大器的特性来定制，上层规划程序要根据操作机的机构、尺寸等参数来编制。
如果作业任务和作业对象都是固定的，那么这种封闭式机器人控制器具有简单、可靠和高效的优点。但是随着经济的发展，人们对产品多样化的要求越来越高。制造业已由原来的任务和对象相对固定的大规模流水线式作业，向任务和对象经常改变的中小规模的柔性制造和可重构制造模式发展。这就要求制造系统中担当生力军的工业机器人能够胜任不断变化的任务，即功能柔性化。
在机器人的购买阶段，机器人的使用者不可能对将来生产任务的变化考虑全面。这样一旦新的任务不包括在现有机器人的控制功能中，那么具有封闭结构的控制器机器人就毫无用途。如果机器人的功能是可以扩展的，情形就不一样了：经过控制器的功能扩充，原有的机器人就可投入到新的生产任务中去。而控制器的功能如要具有可扩充性，就需要控制器的软件和硬件都是开放的。
软件开放是因为新的功能需要新的控制策略和新的控制方法；硬件开放是因为新的任务需要新的装置，新的装置需要同控制器进行通信，因此控制器硬件必须是开放的。要使机器人具有柔性，控制器必须是结构开放的。
2开放的结构有益于保持机器人的性能，延长机器人的使用寿命
传统机器人控制器都是受制于特定本体(包括电机)参数的。这些参数是在机器人的生产阶段实测出来的，并固化到控制器的EPROM中。控制器的低层伺服算法和上层规划算法，都是以此为根据的。由于器件的磨损和老化，在使用一段时间后，机器人的各种参数必然发生变化。封闭结构的控制器总是按照原来设定的参数进行控制，必然造成机器人操作性能的降低，乃至功能的失效。而开放结构的机器人，就可根据不同情况适当地调整某个或某些参数，以避免或减少这种性能的降低。开放的结构有益于保持机器人的性能，延长机器人的使用寿命。
3结构开放有益于促进控制器技术的更新和机器人应用的普及
从数字计算机(主要指微机)发展历程来看，正是由于结构的开放，使其功能日趋丰富和强大，从而计算机的应用领域，也从最初的科学计算，到目前的社会生活的方方面面。而应用领域的拓展，又进一步促进了计算机技术的发展和功能的完善，形成了良性循环。而反观作为计算机技术应用产物的工业机器人，由于封闭性，不仅使得许多先进控制算法只停留在理论研究和数字仿真阶
段，不能得到实际应用，而且使得许多用户急需的功能不能及时或无力开发，限制了机器人应用的普及。打破这种现状，彻底的方法是建立机器人控制器的开放式标准，规定控制器的基本功能，接口标准，并最终使控制器同操作机分离，即独立出来。这样，根据实际需要，一个控制器可以选择多种型号的本体，而本体也可同不同功能的控制器相连。控制器自身也可进行软件升级，并根据需要连入新的装置。控制器的开放，有益于新的机器人控制理论的应用，控制技术的进步和机器人应用的普及。
三、项目的研究内容
1建立实现机器人控制的硬件平台
主要包括机器人本体、电机、伺服放大器、位置控制卡和工业PC等。
2建立软件平台
主要包括操作系统、开发系统、机器人上层控制模块、机器人低层控制模块、位置伺服模块以及工业PC与位置控制卡间的通讯模块等。
四、开放式机器人控制器的结构
1硬件平台
本着开放、先进和可靠的原则，对构成硬件平台的各模块进行了严格选择。
(1)机器人本体
采用日本Yaskawa公司生产的K10机器人本体。
(2)电机和伺服放大器
电机采用日本YASKAWA公司生产的交流伺服电机，伺服放大器采用的是日本YASKAWA公司生产的∑系列交流伺服放大器。
(3)位置控制卡
位置控制器是机器人控制器最基本的部件。我们采用的是美国Delta Tau公司生产的PMAC2。PMAC(Programable Multi Axix Controller)是基于Motorola DSP 56002的运动控制卡，具有以下特点：
1)功能强大
·单卡可以同时控制8个伺服轴；
·单轴伺服更新时间约为20μs(40MHz DSP)；
·18位DAC输出分辨率；
·具有多种轨迹插补模式：直线(LINE)、圆弧(ARC)、样条(SPLINE)及位置速度时间(PVT)等模式；
·提供多种位置伺服方法：除常规的PID、NOTCH FIL TER、速度、加速度前馈(这几种伺服方法可以任意组合)外，用户也可采用极点配置方法，甚至可以直接加入自己的低层位置伺服方法，以适应不同需要。
2)开放式结构
·支持于主机的多种连接方式：①串行方式，包括RS-232，RS-422；②并行总线方式，包括PC-XT/AT，VME，STD32以及PCI等。
·连同伺服放大器，可控制多种类型的电机：直流电机(包括有刷和无刷)，交流电机和步进电机等。
·通过选用适当的由DELTA TAU提供的选件，连接多种类型的位置反馈装置：增量编码器，绝对编码器，旋转变压器，直线电压位移传感器，激光干涉仪和磁致伸缩位移传感器等。
·通过对卡内寄存器的操作，用户可以控制PMAC2板的特性。另外，PAMC2的微操作系统(Firmware)也可通过Internet及时升级。
·卡内可以同时容纳256个运动程序和32个PLC程序，用户可以通过类似BASIC的PMAC2解释语言进行程序开发，另外PMAC也可对PLC程序进行编译，使运行速度更快。
3)安全性好
·越程极限：除硬件具有光电离的带上拉电阻专用限位开关输入接口外，也可在程序中设置软限位；
·速度和加速度极限：当进行复合运动时，PMAC2运动控制器将每个轴的命令速度加速度与用户定义的极限值相比较。如果命令值超过了程序的设定值，整个坐标系的运动将会减速，或者加速度值将被减小以保持在极限以内。
·跟踪误差极限：①致命极限。如果实际位置对命令位置的滞后超出预设值，就按照程序设定关断出错电机或其他电机。这种情况发生在位置反馈消失或者电机发生故障时刻。②警告极限。PMAC2运动控制器和主机(或二者)发送一条消息，警告发生了一个非致命跟踪误差。
·伺服输出极限：可以为电流环放大器的力矩和速度环放大器的速度设定一个极限，使伺服输出值在放大器的允许范围以内。
·计时器极限：在板的“看门狗”计时器，可以提供对来自PMAC板本身的故障进行反应的功能，通常是关断PMAC板。供电电压不足，就可触发这种关断。
·异常终止：PMAC为每个电机通道都提供了一异常终止信号入口。一旦有信号输入，PMAC将终止当前坐标系中所有轴的运动。
4)可靠性高
PMAC将8轴的位控功能集成到一个卡上，大大提高了多轴运动控制的平均连续无故障时间(MTBF)，提高了工作可靠性。
(4)工业PC
使用的是AdvanTech 610型工业PC机。
2软件平台
开放式机器人系统，既要求软件同硬件一样具有模块化和开放性，又要求软件具有易用性，这也是软件平台的设计原则。
(1)操作系统：采用Microsoft公司的Windows NT。
(2)开发系统：采用Microsoft公司的Visual C++。
(3)机器人上层控制模块。
上层控制模块主要包括离线仿真模块、示教再现模块、机器人语言、上层运动控制模块等，主要功能是位置示教、任务规划、用户坐标系内的轨迹插补、位姿正逆运动方程求解等。这部分的特点是与硬件无关。
(4)底层控制模块
底层控制模块主要是低层运动控制模块，其功能是将上层与设备无关的操作，转变成对硬件的操作命令。例如将关节命令转化成对电机的操作，将控制模式的选择转化成对PMAC2的对等命令等。可以说，这一层是硬件与软件的主接口。
(5)位置控制模块
位置控制由PMAC2完成，上层可以通过通讯模块对其控制。
(6)通讯模块
通讯模块通过Delta Tau公司提供的Pcomm32驱动程序实现。
五、达到的水平与应用前景
以上介绍了开放式控制器系统的硬件和软件系统各部分的功能及特点，达到国际先进水平。系统除了能够完成一般工业机器人所具有的位置操作功能外，具有鲜明的模块化和开放特性，易于功能扩展。例如可以通过PC机的扩展板槽引入力反馈或视觉反馈信号，再加入相应的信号处理模块，即可为一般的工业机器人加入力反馈控制或视觉反馈控制功能。另外，本控制器可以让用户实时改变低层位置控制算法，这对于研究和应用机器人的许多控制算法具有重要意义。