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AI-调查研究-65-机器人机械臂控制技术的前世今生：从PLC到MPC

news 2025/8/31 6:14:39

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构建和控制机械臂的完整技术栈

要构建一套能够执行上述任务的机械臂系统，需要综合多方面的软硬件技术。

控制系统

PLC（可编程逻辑控制器）与实时控制

1. PLC概述

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是一种专为工业环境设计的控制计算机，广泛应用于自动化生产线、机械设备和过程控制等领域。其主要特点包括：

工业级可靠性：采用坚固的外壳设计，具备抗干扰、防尘、防潮等特性
模块化结构：可扩展I/O模块、通信模块等
循环扫描工作方式：典型扫描周期在10-100ms范围

典型应用场景：

汽车装配线控制
包装机械时序控制
楼宇自动化系统

2. PLC在机器人控制中的角色

在工业机器人应用中，PLC通常承担以下职能：

产线级控制：
- 协调多个机器人工作站
- 管理传送带、夹具等外围设备
- 实现安全联锁（如光栅、急停按钮）
与机器人控制器的协作：
- 通过工业总线（如ProfiNet、EtherCAT）通信
- 发送工作指令（如工件到位信号）
- 接收状态反馈（如机器人完成信号）

典型通信协议：

协议类型	传输速率	典型应用
Modbus TCP	100Mbps	简单设备控制
EtherNet/IP	1Gbps	汽车生产线
PROFINET IRT	实时<100μs	精密同步控制

3. 实时控制架构

现代机器人控制系统通常采用分层架构：

上层控制（PLC）：

控制周期：10-100ms
主要功能：
- 生产流程管理
- 异常处理
- 数据采集

底层控制（运动控制器）：

控制周期：0.1-1ms（1-10kHz）
关键技术：
- 多轴联动插补
- 力矩补偿
- 振动抑制

典型硬件配置：

经济型方案：
PLC（西门子S7-1200） + 通用机器人控制器
高性能方案：
PLC（倍福CX系列） + 实时运动控制器（如KUKA KR C4）
尖端应用：
FPGA（Xilinx Zynq） + DSP（TI C2000）架构，支持μs级控制

4. 技术发展趋势

软PLC的兴起：
- 基于PC的控制器（如Codesys）
- 支持Windows/Linux实时扩展
时间敏感网络（TSN）：
- IEEE 802.1Qbv标准
- 实现确定性通信
边缘计算集成：
- 在PLC层面增加AI推理能力
- 实现预测性维护等功能

注：在选择控制系统时，需要根据应用场景的实时性要求（如焊接机器人通常需要≤1ms的周期）、精度要求和成本预算进行权衡。

嵌入式与分布式架构

现代机器人控制系统正经历从集中式向嵌入式架构的转型，这主要得益于半导体工艺进步带来的硬件性能跃升。以ARM Cortex-M7系列处理器为例，其主频可达400MHz以上，配合FPGA协处理器可满足大多数工业场景的实时控制需求。这种架构的典型应用包括：

分布式关节控制：
- 以UR5协作机器人为代表的新一代机械臂，在每个关节集成独立的驱动与控制模块（如STM32H7+DRV8320驱动芯片组），通过工业总线（如CANopen协议栈实现的EtherCAT）与主控制器进行数据交换
- 模块化设计带来三大优势：
  - 电气布线简化：传统集中式架构需要20-30根电机动力线，分布式架构仅需4-6根通信总线
  - 计算负载分摊：关节模块可本地完成PID运算、温度监控等任务
  - 维护便捷性：单个关节故障可快速更换而不影响整体系统
安全控制集成：
- 协作机器人安全标准ISO/TS 15066要求10ms内完成碰撞检测响应
- 主流方案（如Franka Emika的关节模块）采用双闭环设计：
  - 位置环：主控制器处理（1kHz更新率）
  - 力矩环：关节本地FPGA实现（8kHz带宽）
- 典型安全机制包括：
  - 动态力矩阈值调整
  - 关节温度实时监控
  - 双编码器冗余校验
开源方案实现：
- ROS-Industrial生态下的机械臂（如Kinova Gen3）通常采用以下架构：
  - 主控层：搭载Xenomai实时补丁的Ubuntu系统（1kHz控制周期）
  - 驱动层：基于STM32的关节控制板（支持CAN总线通信）
  - 中间件：ROS2实时节点管理数据流
- 典型案例：
  - MoveIt!实现运动规划
  - ros_control框架管理硬件接口

实时性要求是核心设计准则：

硬实时系统（如KUKA的VxWorks系统）必须保证：
- 控制周期抖动<50μs
- 总线通信延迟<1ms
关键实现技术包括：
- 时间触发架构（TTA）
- 优先级抢占式调度
- 内存锁止机制
典型失效案例：
- 2016年某工业机械臂因CAN总线负载过高导致500μs延迟，引发轨迹偏移事故
- 2020年某服务机器人因Linux内核抢占延迟造成安全制动失效

操作系统

机器人操作系统（ROS）是当前机器人领域广泛采用的开源框架，同时也是控制系统的重要组成部分。该系统具备以下优势：

功能全面性：
- 提供完善的通信机制（包括话题、服务、动作等多种通信方式）
- 包含丰富的功能包（如导航包、运动规划包、视觉处理包等）
- 支持机器人状态管理、运动规划、传感处理等核心功能
- 典型应用：SLAM建图、机械臂抓取、自主导航等场景
开发便捷性：
- 提供跨平台开发环境（支持Linux、Windows、MacOS）
- 拥有庞大的开发者社区（全球超过10万开发者）
- 特别适用于科研和教育领域的新型机器人开发
- 显著降低编程和系统集成的工作量（相比传统开发可节省30%-50%时间）
架构优势：
- 采用节点(node)的模块化设计理念
- 支持分布式计算架构（可在多台计算机上并行运行）
- 典型的ROS系统架构示例：
  - 感知节点：处理传感器数据
  - 规划节点：完成运动规划
  - 控制节点：执行具体动作
兼容性广泛：
- 目前支持ROS的机器人产品超过200种
- 包括UR、Franka等协作机器人品牌
- 也适用于TurtleBot等教育机器人平台
- 便于二次开发和学术研究

注意事项：

ROS本身并非硬实时系统：
- 默认Linux内核的实时性不足
- 通信延迟通常在毫秒级
工业应用中的典型分层架构：
- 高层：ROS负责任务规划与协调
- 底层：由RTX、Galil控制卡等实时系统执行伺服控制
- 中间层：通过ROS-Industrial等桥接方案实现通信

发展现状：

ROS的普及推动了机械臂软件架构的开放标准化
促进了机器人领域软硬件解耦：
- 硬件厂商提供标准ROS驱动
- 软件开发者基于ROS开发应用
形成了完善的生态系统：
- 社区贡献包超过5000个
- 年增长率超过30%
- 应用范围从工业扩展到医疗、农业等多个领域

控制算法

机械臂的运动由一系列精密控制算法驱动，其中基础环节是各关节电机的PID闭环控制。PID控制器凭借结构简单、鲁棒性强等优势，成为工业领域应用最广泛的控制算法。通过调节比例、积分和微分增益参数，PID能有效控制关节精准到达目标位置，同时消除稳态误差。目前大多数机器人关节伺服系统都采用PID或其改进版本（如PI-D、带前馈补偿的PID等）。

在需要更高性能的场景中，系统会引入模型前馈控制（基于机械臂动力学模型计算所需关节扭矩以降低误差）和摩擦补偿等技术来提升轨迹跟踪精度。对于更严苛的控制需求，还可集成滑模控制、H∞控制、自适应控制等先进算法来增强系统鲁棒性。