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    機器人控制系統

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    自動控制理論的發展和工業生產的需要及相關技術的進步,機器人的發展已經歷了3代:(1)可編程的示教再現型機器人;(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機器人;(3)智能機器人。作為機器人的核心部分,機器人控制器是影響機器人性能的關鍵部分之一,它從一定程度上影響著機器人的發展。目前,由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步,使得機器人的研究在高水平上進行,同時也為機器人控制器的性能

    1. 詳細信息

    自動控制理論的發展和工業生產的需要及相關技術的進步,機器人的發展已經歷了3代:

    (1)可編程的示教再現型機器人;

    (2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機器人;

    (3)智能機器人。

    作為機器人的核心部分,機器人控制器是影響機器人性能的關鍵部分之一,它從一定程度上影響著機器人的發展。目前,由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步,使得機器人的研究在高水平上進行,同時也為機器人控制器的性能提出更高的要求,對于不同類型的機器人,如有腿的步行機器人與關節型工業機器人,控制系統的綜合方法有較大差別,控制器的設計方案也不一樣。

    中國成為全球第一大工業機器人應用市場指日可待,但遺憾的是,我國工業機器人產業發展較晚,受相關技術和加工工藝等因素影響,中國市場上工業機器人基本被以ABB、庫卡、發那科和安川四大巨頭為主的國外機器人品牌占據著,國產機器人品牌僅占約8%的市場份額??刂破髯鳛楣I機器人最為核心的零部件之一,必將受惠工業機器人的快速增長,但作為關鍵核心零部件的控制器市場,也同樣被外企所占據。  

    機器人控制器是根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業任務的裝置,它是機器人的心臟,決定了機器人性能的優劣,從機器人控制算法的處理方式來看,可分為串行、并行兩種結構類型。 

    串行處理結構 

    所謂的串行處理結構是指機器人的控制算法是由串行機來處理,對于這種類型的控制器,從計算機結構、控制方式來劃分,又可分為以下幾種: 

    (1) 單CPU 結構、集中控制方式用一臺功能較強的計算機實現全部控制功能,在早期的機器人中 ,如 Hero-I, Robo t-I等 ,就采用這種結構,但控制過程中需要許多計算 (如坐標變換 ) ,因此這種控制結構速度較慢。

     (2) 二級 CPU結構、主從式控制方式一級 CPU 為主機,擔當系統管理、機器人語言編譯和人機接口功能 ,同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補,并定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公用內存,供二級 CPU讀??;二級CPU完成全部關節位置數字控制.這類系統的兩個CPU總線之間基本沒有聯系 ,僅通過公用內存交換數據 ,是一個松耦合的關系.對采用更多的 CPU 進一步分散功能是很困難的.日本于 70年代生產的 M otoma n機器人 ( 5關節 ,直流電機驅動 )的計算機系統就屬于這種主從式結構。

    (3) 多CPU 結構、分布式控制方式

     目前,普遍采用這種上、下位機二級分布式結構,上位機負責整個系統管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多 C PU組成 ,每個 CPU控制一個關節運動,這些 CPU和主控機聯系是通過總線形式的緊耦合,這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結構,即每個處理器承擔固定任務,目前世界上大多數商品化機器人控制器都是這種結構。 

    控制器計算機控制系統中的位置控制部分,幾乎無例外地采用數字式位置控制。 

    以上幾種類型的控制器都是采用串行機來計算機器人控制算法,它們存在一個共同的弱點:計算負擔重、實時性差.所以大多采用離線規劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負擔,當機器人在運行中受到干擾時其性能將受到影響,更難以保證高速運動中所要求的精度指標。

    并行處理結構 

    并行處理技術是提高計算速度的一個重要而有效的手段,能滿足機器人控制的實時性要求,從文獻來看,關于機器人控制器并行處理技術,人們研究較多的是機器人運動學和動力學的并行算法及其實現 .1982年 J. Y. S. Luh首次提出機器人動力學并行處理問題 ,這是因為關節型機器人的動力學方程是一組非線性強耦合的二階微分方程,計算十分復雜,提高機器人動力學算法計算速度也為實現復雜的控制算法如: 計算力矩法、非線性前饋法、自適應控制法等打下基礎。開發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構 .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的并行處理器結構 ,根據處理器結構所支持的計算模型 ,開發算法的并行性;二是首先開發算法的并行性 ,然后設計支持該算法的并行處理器結構 ,以達到最佳并行效率。  

    存在的問題

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    隨著現代科學技術的飛速發展和社會的進步,對機器人的性能提出更高的要求。智能機器人技術的研究已成為機器人領域的主要發展方,如各種精密裝配機器人,位置混合控制機器人,多肢體協調控制系統以及先進制造系統中的機器人的研究等。相應的,對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是,機器人自誕生以來,特別是工業機器人所采用的控制器基本上都是開發者基于自己的獨立結構進行開發的 ,采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統、專用微處理器.這樣的機器人控制器已不能滿足現代工業發展的要求。

    綜合起來,現有機器人控制器存在很多問題 ,如:

    (1)開放性差局限于“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結構,封閉的控制器結構使其具有特定的功能、適應于特定的環境,不便于對系統進行擴展和改進。

     (2)軟件獨立性差軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件,難以在不同的系統間移植。

     (3)容錯性差由于并行計算中的數據相關性、通訊及同步等內在特點,控制器的容錯性能變差,其中一個處理器出故障可能導致整個系統的癱瘓。

     (4)擴展性差目前。機器人控制器的研究著重于從關節這一級來改善和提高系統的性能.由于結構的封閉性,難以根據需要對系統進行擴展,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構還是并行結構的機器人控制器都不是開放式結構,無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改,例如,商品化的 Mo toman機器人的控制器是不開放的,用戶難以根據自己需要對其修改、擴充功能,通常的做法是對其詳細解剖分析,然后對其改造。


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