機(jī)器人控制器類型

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(yǔ)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讀取；二級(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。

機(jī)器人控制器發(fā)展

隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展 ，針對(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷 ，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。近幾年，日本、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，如日本安川公司基于 PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器，我國(guó) 863計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)。

開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器是指：控制器設(shè)計(jì)的各個(gè)層次對(duì)用戶開放，用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能，其主要思想是：

（1）利用基于非封閉式計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)，有效利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

（2）利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語(yǔ)言，從而可以改變各種專用機(jī)器人語(yǔ)言并存且互不兼容的局面。

（3）采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，使得為擴(kuò)展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器 ， I /O板、運(yùn)動(dòng)控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

（4）利用網(wǎng)絡(luò)通訊 ，實(shí)現(xiàn)資源共享或遠(yuǎn)程通訊。目前，幾乎所有的控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能，利用網(wǎng)絡(luò)通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔性，我們可以根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，而且設(shè)計(jì)過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由多種功能模塊組成，各模塊完整而單一，這樣建立起來的系統(tǒng)，不僅性能好、開發(fā)周期短而且成本較低。模塊化還使系統(tǒng)開放，易于修改、重構(gòu)和添加配置功能。