機(jī)器人控制器的發(fā)展現(xiàn)狀分析
文:青島橡膠輪胎有限公司 韓紅敏2018年第二期
摘要:本文首先對機(jī)器人控制器進(jìn)行定義和分類,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。本文介紹了目前機(jī)器人控制器的現(xiàn)狀,分析了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,探討了機(jī)器人控制器的發(fā)展方向和要著重解決的問題。
0引言
控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心,國外有關(guān)公司對我國實(shí)行嚴(yán)密封鎖。近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,微處理器的性能越來越高,而價格則越來越便宜,目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處理器。高性價比的微處理器為機(jī)器人控制器帶來了新的發(fā)展機(jī)遇,使開發(fā)低成本、高性能的機(jī)器人控制器成為可能。為了保證系統(tǒng)具有足夠的計算與存儲能力,目前機(jī)器人控制器多采用計算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。此外,由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機(jī)器人系統(tǒng)在價格、性能、集成度和接口等方面的要求,這就產(chǎn)生了機(jī)器人系統(tǒng)對SoC(SystemonChip)技術(shù)的需求,將特定的處理器與所需要的接口集成在一起,可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計,縮小系統(tǒng)尺寸,并降低成本。例如,Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上,形成了一個完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人運(yùn)動控制器方面,其研究主要集中在美國和日本,并有成熟的產(chǎn)品,如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運(yùn)動控制器以DSP技術(shù)為核心,采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu)。
作為計算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),計算機(jī)控制技術(shù)包括范圍十分廣泛,從機(jī)器人智能、任務(wù)描述到運(yùn)動控制和伺服控制等技術(shù)。既包括實(shí)現(xiàn)控制所需的各種硬件系統(tǒng),又包括各種軟件系統(tǒng)。最早的機(jī)器人采用順序控制方式,隨著計算機(jī)的發(fā)展,機(jī)器人采用計算機(jī)系統(tǒng)來綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能,并采用示教再現(xiàn)的控制方式。隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,機(jī)器人控制技術(shù)正朝著智能化的方向發(fā)展,出現(xiàn)了離線編程、任務(wù)級語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)。多種技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)智能機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)
對于不同類型的機(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)計方案也不一樣。本文僅討論工業(yè)機(jī)器人控制器問題。
1 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。
1.1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)來處理。對于這種類型的控制器,從計算機(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
用一臺功能較強(qiáng)的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。在早期的機(jī)器人中,如Hero-I,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為主機(jī),擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能,同時也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ),并定時地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到公用內(nèi)存,供二級CPU讀?。欢塁PU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(jìn)一步分散功能是很困難的。日本于70年代生產(chǎn)的Motoman機(jī)器人(5關(guān)節(jié),直流電機(jī)驅(qū)動)的計算機(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)二級分布式結(jié)構(gòu),上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CPU組成,每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動,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(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。
控制器計算機(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)來計算機(jī)器人控制算法。它們存在一個共同的弱點(diǎn):計算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時性差。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)時控制中的計算負(fù)擔(dān)。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時其性能將受到影響,更難以保證高速運(yùn)動中所要求的精度指標(biāo)。
由于機(jī)器人控制算法的復(fù)雜性以及機(jī)器人控制性能的亟待提高,許多學(xué)者從建模、算法等多方面進(jìn)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(shí)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(jī)或小型機(jī);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。
1.2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(jī)器人控制的實(shí)時性要求。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)動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)。1982年J.Y.S.Luh首次提出機(jī)器人動力學(xué)并行處理問題,這是因為關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)方程是一組非線性強(qiáng)耦合的二階微分方程,計算十分復(fù)雜。提高機(jī)器人動力學(xué)算法計算速度也為實(shí)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(dá)到最佳并行效率。
構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器的計算機(jī)系統(tǒng)一般采用以下方式:
(1)開發(fā)機(jī)器人控制專用VLSI設(shè)計專用VLSI能充分利用機(jī)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(jī)器人控制算法中大量出現(xiàn)的計算,能大大提高運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)方程的計算速度。但由于芯片是根據(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(hù)與開發(fā)。
(2)利用有并行處理能力的芯片式計算機(jī)(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(jī)。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(qiáng)的計算能力。利用Transputer并行處理器,人們構(gòu)造了各種機(jī)器人并行處理器,如流水線型、樹型等。
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(yùn)算速度見長,并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)。
(3)利用通用的微處理器構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu),支持計算,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實(shí)時計算。
2 機(jī)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(jìn)步,對機(jī)器人的性能提出更高的要求。
智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向,如各種精密裝配機(jī)器人,力/位置混合控制機(jī)器人,多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的,對機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是,機(jī)器人自誕生以來,特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的,采用專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機(jī)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(jī)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(shí)時控制的要求,所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸PID控制,難以滿足機(jī)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訊的需要,但它只是在有限范圍內(nèi)開放。所采用的“專用計算機(jī)(如PUMA機(jī)器人采用PDP-11作為上層主控計算機(jī))、專用機(jī)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(kuò)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(shí)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(jī)器人運(yùn)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(shí)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)在特點(diǎn),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(jī)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(jī)、專用機(jī)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(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。
(2)軟件獨(dú)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(diǎn),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(kuò)展性差
目前,機(jī)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(jìn)行擴(kuò)展,如增加傳感器控制等功能模塊。
(5)缺少網(wǎng)絡(luò)功能
現(xiàn)在幾乎所有的機(jī)器人控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能。
總起來看,前面提到的無論串行結(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機(jī)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(kuò)充和更改。例如,商品化的Motoman機(jī)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(kuò)充功能,通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析,然后對其改造。
3 機(jī)器人控制器的展望
隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展,針對結(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(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863計劃智能機(jī)器人主題也已對這方面的研究立項。
開放式結(jié)構(gòu)機(jī)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(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算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng),如Sun,SGI,PC's.有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)平臺的軟、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),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(jī)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(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)計具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)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。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(jī)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(jī)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(kuò)充功能,使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)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(hù),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(shí)現(xiàn),以利于修改、添加、配置功能。
(4)實(shí)時性、多任務(wù)要求
機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)資源共享或多臺機(jī)器人協(xié)同工作。
(6)形象直觀的人機(jī)接口
另外,機(jī)器人控制器中,運(yùn)動控制板是必不可少的。由于機(jī)器人性能的不同,對運(yùn)動控制板的要求也不同。美國DeltaTau公司推出的PMAC(ProgrammableMulti-axisController)在國內(nèi)外引起重視。PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制器,它全面地開發(fā)了DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能,為用戶提供了很強(qiáng)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,PMAC可以同時操縱1~8軸,比起其他運(yùn)動控制板來說,有很多可取之處。由于適用于機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)器人控制器是完全可行的。
4 結(jié)論
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)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(jī)器人控制器的研究無疑對提高機(jī)器人性能和自主能力、推動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。
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