機器人控制器的現(xiàn)狀及展望

1、機器人控制器的現(xiàn)狀及展望摘要機器人控制器是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展。本文介紹了目前機器人控制器的現(xiàn)狀，分析了它們各自的優(yōu)點和不足，探討了機器人控制器的發(fā)展方向和要著重解決的問題。關(guān)鍵詞機器人控制器，開放式結(jié)構(gòu)，模塊化CURRENTSTATEANDTENDENCIESINTHEDEVELOPMENTOFROBOTCONTROLLERFANYongTANMin(InstituteofAutomation,ChineseAcademyofScience,Beijing100080)AbstractRobotcontrolleristhekeycomponento

2、farobot.Ithasagreateffectonthedevelopmentofrobot.Thispapergivesabriefoverviewofthecurrentstateoftherobotcontrollers.Theadvantagesanddisadvantagesareanalyzed.Inthefollowingitistoexplorethekeyproblemsandtreandsofrobotcontroller.KeywordsRobotcontroller,openarchitecture,modularity1引言從世界上第一臺遙控機械手的誕生至今已有5

3、0年了，在這短短的幾年里，伴隨著計算機、自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進步，機器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代：1:(1)可編程的示教再現(xiàn)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(guān)鍵部分之一。它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展。目前，由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)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(guān)節(jié)型工業(yè)機器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計方案也不一樣。本文僅討論工業(yè)機器人控制

4、器問題。2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(wù)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：2o(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,Robot-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(biāo)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

5、為主機，擔(dān)當(dāng)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(biāo)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??；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Motoman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(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)

6、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(dān)固定任務(wù)。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)?？刂破饔嬎銠C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(fù)擔(dān)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(fù)擔(dān)。當(dāng)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(biāo)。由于機器人控制算法的復(fù)雜性以及機器人控

7、制性能的亟待提高，許多學(xué)者從建模、算法等多方面進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結(jié)構(gòu)控制器上滿足實時計算的要求。因此，必須從控制器本身尋求解決辦法。方法之一是選用高檔次微機或小型機；另一種方法就是采用多處理器作并行計算，提高控制器的計算能力。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(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實現(xiàn)。1982年J.Y.S.Luh3首次提出機器人動力學(xué)并行處理問題，這是因為關(guān)節(jié)型機器人的動力學(xué)方程是一組非線性強耦合的二階微分方程，計算十分復(fù)雜。提高機器人動力學(xué)算法

8、計算速度也為實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如：計算力矩法、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)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu)，以達到最佳并行效率。構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機器人控制器的計算機系統(tǒng)一般采用以下方式：(1)開發(fā)機器人控制專用VLSI4,5設(shè)計專用VLSI能充分利用機器人控制算法的并行性，依靠芯片內(nèi)的并行體系結(jié)構(gòu)易于解決機器人控制算法中大量出現(xiàn)的計算，能大大提高運動學(xué)、動力學(xué)方程的計算速度。但由于芯

9、片是根據(jù)具體的算法來設(shè)計的，當(dāng)算法改變時，芯片則不能使用，因此采用這種方式構(gòu)造的控制器不通用，更不利于系統(tǒng)的維護與開發(fā)。(2)利用有并行處理能力的芯片式計算機(如：Transputer,DSP等)構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)Transputer是英國Inmos公司研制并生產(chǎn)的一種并行處理用的芯片式計算機。利用Transputer芯片的4對位串通信的link對，易于構(gòu)造不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且Transputer具有極強的計算能力。利用Transputer并行處理器，人們構(gòu)造了各種機器人并行處理器，如流水線型、樹型等。文獻：6利用Transputer網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)逆運動學(xué)計算，而文獻：7以實時控制為目的，分別實現(xiàn)了前饋

10、補償及計算力矩兩種基于固定模型的控制方案。隨著數(shù)字信號芯片速度的不斷提高，高速數(shù)字信號處理器(DSP)在信息處理的各個方面得到廣泛應(yīng)用。DSP以極快的數(shù)字運算速度見長，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)：8o文獻：9介紹了一種基于DSP的機器人控制器，采用并行/流水線的設(shè)計方案，提高控制器性能。(3)利用通用的微處理器利用通用微處理器構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu)，支持計算，實現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實時計算。如文獻10,11中設(shè)計的系統(tǒng)。機器人控制器存在的問題隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)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(shù)的研究已成為機器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人

11、，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進制造系統(tǒng)中的機器人的研究等。相應(yīng)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(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結(jié)構(gòu)進行開發(fā)的，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。從前面提到的兩類機器人控制器來看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層次上是開放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通

12、訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放。所采用的如文獻12所說的“專用計算機(如PUMMI器人采用PDP-11作為上層主控計算機)、專用機器人語言(如VAL)、專用微處理器并將控制算法固定在EPROM中”結(jié)構(gòu)限制了它的可擴展性和靈活性，因此說它的結(jié)構(gòu)是封閉的。并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題。目前的并行處理控制器研究一般集中于機器人運動學(xué)、動力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來設(shè)計，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列出數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實現(xiàn)各子任務(wù)在對應(yīng)處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特

13、點，如程序設(shè)計不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來，現(xiàn)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(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進。(2)軟件獨立性差軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。(3)容錯性差由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)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(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。(4)擴展性差目前，機器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展，如增加傳感器

14、控制等功能模塊。(5)缺少網(wǎng)絡(luò)功能現(xiàn)在幾乎所有的機器人控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能?？偲饋砜矗懊嫣岬降臒o論串行結(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機器人控制器都不是開放式結(jié)構(gòu)，無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改。例如，商品化的Motoman機器人的控制器是不開放的，用戶難以根據(jù)自己需要對其修改、擴充功能，通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析，然后對其改造。機器人控制器的展望開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)近幾年，日本、美國和PC開發(fā)的具有開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，的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器”是當(dāng)前機器人控制器的一個發(fā)展方向。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放式結(jié)構(gòu)

15、、網(wǎng)絡(luò)功能的機器人控制器：13。我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項14。開放式結(jié)構(gòu)機器人控制器是指：控制器設(shè)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：15是：(1)利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng)，如Sun,SGI,PCs.有效利用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，如Unix,Vxwork和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言，如C,C+.采用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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

16、系統(tǒng)。(4)利用網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(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)計具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制器。而且設(shè)計過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設(shè)計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)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。文獻：16基于多自主體概念設(shè)計的新型控制器就是按模塊化方法設(shè)計的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機接口模塊、調(diào)度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個模塊構(gòu)成。新型的機

17、器人控制器應(yīng)有以下特色：(1)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產(chǎn)線。(2)合理的模塊化設(shè)計對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計，這不僅方便安裝和維護，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。(3)有效的任務(wù)劃分不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。(4)實時性、多任務(wù)要求機器人控制器必須能在確定的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且可以使多個任務(wù)同時進行。(5)網(wǎng)絡(luò)通訊功能利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人協(xié)同工作。(6)形象直觀的人機接口另外，機器人控制器中，運動控制

18、板是必不可少的。由于機器人性能的不同，對運動控制板的要求也不同。美國DeltaTau公司推出的PMAC(ProgrammableMulti-axiesController)在國內(nèi)外引起重視。PMAC是一種功能強大的運動控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術(shù)的強大功能，為用戶提供了很強的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號處理器，PMACM以同時操縱18軸，比起其他運動控制板來說，有很多可取之處。由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器是完全可行的。5結(jié)束語隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對機器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域(如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、人工智能等)的研究成果應(yīng)用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中，是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器的研究無疑對提高機器人性能和自主能力、推動機