淺析工業(yè)機(jī)器人控制器的類型及功能

近幾年我國(guó)國(guó)產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的速度愈發(fā)的快，這對(duì)于國(guó)產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人的制造是一個(gè)非常好的機(jī)遇，特別是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人的軸數(shù)越多相對(duì)的對(duì)于控制器的要求也就越高，所是有的伺服電機(jī)的數(shù)量也就越多，高精密的工業(yè)機(jī)器人所需要的伺服電機(jī)的樹(shù)齡也是很多的。機(jī)器人控制器作為工業(yè)機(jī)器人最為核心的零部件之一，對(duì)機(jī)器人的性能起著決定性的影響，在一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。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(zhǎng)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。

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(lái)看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。

1、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(lái)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(lái)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(guò)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?。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(méi)有聯(lián)系，僅通過(guò)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CPU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(guò)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(wèn)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(wú)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(lái)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(lái)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)。

2、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(lái)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(wèn)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(kāi)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(kāi)發(fā)算法的并行性；二是首先開(kāi)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。