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机器人控制系统

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自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代:(1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人。作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展。目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能

  1. 详细信息

自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代:

(1)可编程的示教再现型机器人;

(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;

(3)智能机器人。

作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展。目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求,对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。

中国成为全球第一大工业机器人应用市场指日可待,但遗憾的是,我国工业机器人产业发展较晚,受相关技术和加工工艺等因素影响,中国市场上工业机器人基本被以ABB、库卡、发那科和安川四大巨头为主的国外机器人品牌占据着,国产机器人品牌仅占约8%的市场份额。控制器作为工业机器人最为核心的零部件之一,必将受惠工业机器人的快速增长,但作为关键核心零部件的控制器市场,也同样被外企所占据。  

机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣,从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型。 

串行处理结构 

所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理,对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种: 

(1) 单CPU 结构、集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部控制功能,在早期的机器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算 (如坐标变换 ) ,因此这种控制结构速度较慢。

 (2) 二级 CPU结构、主从式控制方式一级 CPU 为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能 ,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级 CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系 ,仅通过公用内存交换数据 ,是一个松耦合的关系.对采用更多的 CPU 进一步分散功能是很困难的.日本于 70年代生产的 M otoma n机器人 ( 5关节 ,直流电机驱动 )的计算机系统就属于这种主从式结构。

(3) 多CPU 结构、分布式控制方式

 目前,普遍采用这种上、下位机二级分布式结构,上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多 C PU组成 ,每个 CPU控制一个关节运动,这些 CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合,这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务,目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 

控制器计算机控制系统中的位置控制部分,几乎无例外地采用数字式位置控制。 

以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法,它们存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差.所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担,当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响,更难以保证高速运动中所要求的精度指标。

并行处理结构 

并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段,能满足机器人控制的实时性要求,从文献来看,关于机器人控制器并行处理技术,人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现 .1982年 J. Y. S. Luh首次提出机器人动力学并行处理问题 ,这是因为关节型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程,计算十分复杂,提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制算法如: 计算力矩法、非线性前馈法、自适应控制法等打下基础。开发并行算法的途径之一就是改造串行算法 ,使之并行化,然后将算法映射到并行结构 .一般有两种方式 ,一是考虑给定的并行处理器结构 ,根据处理器结构所支持的计算模型 ,开发算法的并行性;二是首先开发算法的并行性 ,然后设计支持该算法的并行处理器结构 ,以达到最佳并行效率。  

存在的问题

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随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步,对机器人的性能提出更高的要求。智能机器人技术的研究已成为机器人领域的主要发展方,如各种精密装配机器人,位置混合控制机器人,多肢体协调控制系统以及先进制造系统中的机器人的研究等。相应的,对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是,机器人自诞生以来,特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的 ,采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器.这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要求。

综合起来,现有机器人控制器存在很多问题 ,如:

(1)开放性差局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构,封闭的控制器结构使其具有特定的功能、适应于特定的环境,不便于对系统进行扩展和改进。

 (2)软件独立性差软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件,难以在不同的系统间移植。

 (3)容错性差由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点,控制器的容错性能变差,其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。

 (4)扩展性差目前。机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能.由于结构的封闭性,难以根据需要对系统进行扩展,如增加传感器控制等功能模块。

 总起来看,前面提到的无论串行结构还是并行结构的机器人控制器都不是开放式结构,无论从软件还是硬件都难以扩充和更改,例如,商品化的 Mo toman机器人的控制器是不开放的,用户难以根据自己需要对其修改、扩充功能,通常的做法是对其详细解剖分析,然后对其改造。


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