機(jī)器人控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代：

(1)可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人；

(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機(jī)器人；

(3)智能機(jī)器人。

作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。目前，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時(shí)也為機(jī)器人控制器的性能提出更高的要求，對(duì)于不同類型的機(jī)器人，如有腿的步行機(jī)器人與關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計(jì)方案也不一樣。

中國成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)指日可待，但遺憾的是，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，受相關(guān)技術(shù)和加工工藝等因素影響，中國市場(chǎng)上工業(yè)機(jī)器人基本被以ABB、庫卡、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的國外機(jī)器人品牌占據(jù)著，國產(chǎn)機(jī)器人品牌僅占約8%的市場(chǎng)份額?？刂破髯鳛楣I(yè)機(jī)器人最為核心的零部件之一，必將受惠工業(yè)機(jī)器人的快速增長，但作為關(guān)鍵核心零部件的控制器市場(chǎng)，也同樣被外企所占據(jù)。  

機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣，從機(jī)器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。 

串行處理結(jié)構(gòu) 

所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理，對(duì)于這種類型的控制器，從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，又可分為以下幾種： 

(1) 單CPU 結(jié)構(gòu)、集中控制方式用一臺(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，在早期的機(jī)器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就采用這種結(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計(jì)算 (如坐標(biāo)變換 ) ,因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。

 (2) 二級(jí) CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式一級(jí) CPU 為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能 ,同時(shí)也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)，并定時(shí)地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的增量送到公用內(nèi)存，供二級(jí) CPU讀?。欢?jí)CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制.這類系統(tǒng)的兩個(gè)CPU總線之間基本沒有聯(lián)系 ,僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù) ,是一個(gè)松耦合的關(guān)系.對(duì)采用更多的 CPU 進(jìn)一步分散功能是很困難的.日本于 70年代生產(chǎn)的 M otoma n機(jī)器人 ( 5關(guān)節(jié) ,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) )的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)構(gòu)。

(3) 多CPU 結(jié)構(gòu)、分布式控制方式

 目前，普遍采用這種上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多 C PU組成 ,每個(gè) CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些 CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合，這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對(duì)具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個(gè)處理器承擔(dān)固定任務(wù)，目前世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。 

控制器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的位置控制部分，幾乎無例外地采用數(shù)字式位置控制。 

以上幾種類型的控制器都是采用串行機(jī)來計(jì)算機(jī)器人控制算法，它們存在一個(gè)共同的弱點(diǎn)：計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時(shí)性差.所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來減輕實(shí)時(shí)控制中的計(jì)算負(fù)擔(dān)，當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時(shí)其性能將受到影響，更難以保證高速運(yùn)動(dòng)中所要求的精度指標(biāo)。

并行處理結(jié)構(gòu) 

并行處理技術(shù)是提高計(jì)算速度的一個(gè)重要而有效的手段，能滿足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性要求，從文獻(xiàn)來看，關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn) .1982年 J. Y. S. Luh首次提出機(jī)器人動(dòng)力學(xué)并行處理問題 ,這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程是一組非線性強(qiáng)耦合的二階微分方程，計(jì)算十分復(fù)雜，提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)算法計(jì)算速度也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如: 計(jì)算力矩法、非線性前饋法、自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ)。開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法 ,使之并行化，然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu) .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu) ,根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計(jì)算模型 ,開發(fā)算法的并行性;二是首先開發(fā)算法的并行性 ,然后設(shè)計(jì)支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu) ,以達(dá)到最佳并行效率。  

存在的問題

 編輯 

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)機(jī)器人的性能提出更高的要求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方，如各種精密裝配機(jī)器人，位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對(duì)機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的 ,采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器.這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。

綜合起來，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問題 ,如：

(1)開放性差局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)，封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

 (2)軟件獨(dú)立性差軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。

 (3)容錯(cuò)性差由于并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

 (4)擴(kuò)展性差目前。機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級(jí)來改善和提高系統(tǒng)的性能.由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊。

 總起來看，前面提到的無論串行結(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器都不是開放式結(jié)構(gòu)，無論從軟件還是硬件都難以擴(kuò)充和更改，例如，商品化的 Mo toman機(jī)器人的控制器是不開放的，用戶難以根據(jù)自己需要對(duì)其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對(duì)其詳細(xì)解剖分析，然后對(duì)其改造。