機器人控制器類型

機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)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(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(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功能較強的計算機實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計算 （如坐標變換 ） ，因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。

（2） 二級 CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式一級 CPU 為主機，擔當系統(tǒng)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(jié)果作為關(guān)節(jié)運動的增量送到公用內(nèi)存，供二級 CPU讀取；二級CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩個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) ，是一個松耦合的關(guān)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(chǎn)的 M otoma n機器人 （ 5關(guān)節(jié) ，直流電機驅(qū)動 ）的計算機系統(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、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多 C PU組成 ，每個 CPU控制一個關(guān)節(jié)運動，這些 CPU和主控機聯(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具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個處理器承擔固定任務，目前世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。

控制器計算機控制系統(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(guī)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(jié)構(gòu)

并行處理技術(shù)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(guān)于機器人控制器并行處理技術(shù)，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(xiàn) .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(guān)節(jié)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(xiàn)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(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 ，然后設計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu) ，以達到最佳并行效率。

機器人控制器發(fā)展

隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展 ，針對結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制器的缺陷 ，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制器，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)絡功能的機器人控制器，我國 863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。

開放式結(jié)構(gòu)機器人控制器是指：控制器設計的各個層次對用戶開放，用戶可以方便的擴展和改進其性能，其主要思想是：

（1）利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)，有效利用標準計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展創(chuàng)造條件。

（2）利用標準的操作系統(tǒng)，采用標準操作系統(tǒng)和控制語言，從而可以改變各種專用機器人語言并存且互不兼容的局面。

（3）采用標準總線結(jié)構(gòu)，使得為擴展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器 ， I /O板、運動控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

（4）利用網(wǎng)絡通訊 ，實現(xiàn)資源共享或遠程通訊。目前，幾乎所有的控制器都沒有網(wǎng)絡功能，利用網(wǎng)絡通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔性，我們可以根據(jù)上述思想設計具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制器，而且設計過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設計，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。

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