�(jī)器人控制�作為工業(yè)�(jī)器人最為核心的零部件之一,對�(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)��
自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技�(shù)的�(jìn)�,機(jī)器人的發(fā)展已�(jīng)歷了3代:
(1)可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人�
(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的�(jī)器人�
(3)智能�(jī)器人�
作為�(jī)器人的核心部�,機(jī)器人控制器是影響�(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)�。目�,由于人工智�、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技�(shù)及其它相�(guān)�(xué)科的長足�(jìn)步,使得�(jī)器人的研究在高水平上�(jìn)�,同�(shí)也為�(jī)器人控制器的性能提出更高的要求,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�(yè)�(jī)器人,控制系�(tǒng)的綜合方法有較大差別,控制器的設(shè)�(jì)方案也不一��
中國成為大工�(yè)�(jī)器人�(yīng)用市場指日可待,但遺憾的�,我國工�(yè)�(jī)器人�(chǎn)�(yè)�(fā)展較�,受相關(guān)技�(shù)和加工工藝等因素影響,中國市場上工業(yè)�(jī)器人基本被以ABB、庫�、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的國外�(jī)器人品牌占據(jù)著,國產(chǎn)�(jī)器人品牌僅占�8%的市場份�??刂破髯鳛楣I(yè)�(jī)器人最為核心的零部件之一,必將受惠工�(yè)�(jī)器人的快速增長,但作為關(guān)鍵核心零部件的控制器市場,也同樣被外企所占據(jù)�
國外
工業(yè)�(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任�(wù)是控制機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)�(dòng)位置、姿�(tài)和軌�,操作順序及�(dòng)作的�(shí)間等。它同時(shí)具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線操作提示和使用方便等特�(diǎn)�
�(jī)器人自由度的高低取決于其可移�(dòng)的關(guān)節(jié)�(shù)目,�(guān)節(jié)�(shù)愈多,自由度越高,位移精�(zhǔn)度也愈出�,然所須使用的伺服電機(jī)�(shù)量就相對較多;換言�,愈精密的工�(yè)型機(jī)器人,其�(nèi)的伺服電�(jī)�(shù)量愈�,一般每�(tái)多軸�(jī)器人由一套控制系�(tǒng)控制,也意味著控制器性能要求越高�
控制�、軟件與本體一樣,一般由�(jī)器人廠家自主�(shè)�(jì)研發(fā)。目前國外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)�(dòng)控制器平�(tái)基礎(chǔ)上�(jìn)行自主研�(fā),各品牌�(jī)器人均有自己的控制系�(tǒng)與之匹配。因�,控制器的市場份額基本和�(jī)器人保持一�,國�(nèi)企業(yè)控制器尚未形成市場競爭優(yōu)��
國內(nèi)
近年�,國�(nèi)�(yùn)�(dòng)控制(包括CNC)技�(shù)有了較快的發(fā)�。一些傳�(tǒng)生產(chǎn)�(shù)控設(shè)備的廠家開始研制具有�(yùn)�(dòng)控制特征的產(chǎn)�。為了提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)�,越來越多的�(jī)械設(shè)備制造廠商開始使用并且逐漸熟悉通用�(yùn)�(dòng)控制系統(tǒng),使得通用�(yùn)�(dòng)控制�(chǎn)品在很多原來�(yùn)用不多的�(lǐng)域開始擴(kuò)展開��
同時(shí),部�?jǐn)?shù)控設(shè)備廠家�(jìn)行了�(jī)器人專用�(yùn)�(dòng)控制�(chǎn)品的開發(fā)和行�(yè)�(yīng)用的推廣,并逐漸走向成熟和產(chǎn)�(yè)�。這類企業(yè)以廣州數(shù)�、廣泰數(shù)�、埃斯頓等為代表,他們不只開�(fā)出來�(jī)器人專用的控制系�(tǒng),而且還借此�(jìn)入機(jī)器人行業(yè),并成為國產(chǎn)�(jī)器人企業(yè)中的代表�
隨著我國制造業(yè)市場的全球化,對制造業(yè)的技�(shù)和裝備提出了更高的要�,這給�(yùn)�(dòng)控制技�(shù)的推廣和高水平應(yīng)用帶來了契機(jī)。在此背景下,國�(nèi)逐步成長了一批的�(yùn)�(dòng)控制企業(yè),他們開始逐步向市場提供機(jī)器人專用控制�。這類企業(yè)以固高科技、卡諾普、眾為興等為代表,固高科技是國�(nèi)較早�(shí)�(xiàn)六軸�(jī)器人控制系統(tǒng)�(chǎn)�(yè)化的企業(yè)之一,目前主要向�(jī)器人集成商提供控制系�(tǒng)平臺(tái),而卡諾普和眾為興的控制系�(tǒng)則在自己的機(jī)器人上獲得了較好的應(yīng)用經(jīng)�(yàn)。于此同�(shí),不少國�(nèi)�(jī)器人企業(yè)也陸�(xù)開發(fā)自己的控制系�(tǒng)�
�(jīng)過多年的沉淀,國�(nèi)�(jī)器人控制器所采用的硬件平�(tái)和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距,差距主要體�(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺(tái)的易用性方�。隨著技�(shù)和應(yīng)用經(jīng)�(yàn)的積累,國內(nèi)企業(yè)�(jī)器人控制器產(chǎn)品已�(jīng)交為成熟,是�(jī)器人�(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的�(guān)鍵零部件。未來幾年中國國�(chǎn)�(jī)器人將得到快速發(fā)展,國產(chǎn)�(jī)器人控制器應(yīng)用市場面臨較好的�(fā)展契�(jī),尤其是在運(yùn)�(dòng)控制�(lǐng)域深耕多年的企業(yè)�
�(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制�(jī)器人完成一定的�(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝�,它是機(jī)器人的心�,決定了�(jī)器人性能的優(yōu)�,從�(jī)器人控制算法的處理方式來�,可分為串行、并行兩種結(jié)�(gòu)類型�
串行處理�(jié)�(gòu)
所謂的串行處理�(jié)�(gòu)是指�(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�(jì)算機(jī)�(jié)�(gòu)、控制方式來劃分,又可分為以下幾種:
(1) 單CPU �(jié)�(gòu)、集中控制方式用一�(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)�(shí)�(xiàn)全部控制功能,在早期的機(jī)器人� ,� Hero-I, Robo t-I� ,就采用這種�(jié)�(gòu),但控制過程中需要許多計(jì)� (如坐�(biāo)變換 ) ,因此這種控制�(jié)�(gòu)速度較慢�
(2) 二級 CPU�(jié)�(gòu)、主從式控制方式一� CPU 為主�(jī),擔(dān)�(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人�(jī)接口功能 ,同時(shí)也利用它的運(yùn)算能力完成坐�(biāo)變換、軌跡插�(bǔ),并定時(shí)地把�(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)�(yùn)�(dòng)的增量送到公用�(nèi)�,供二級 CPU讀??;二級CPU完成全部�(guān)節(jié)位置�(shù)字控�.這類系統(tǒng)的兩�(gè)CPU總線之間基本沒有�(lián)� ,僅通過公用�(nèi)存交換數(shù)�(jù) ,是一�(gè)松耦合的關(guān)�.對采用更多的 CPU �(jìn)一步分散功能是很困難的.日本� 70年代生產(chǎn)� M otoma n�(jī)器人 ( 5�(guān)節(jié) ,直流電機(jī)�(qū)�(dòng) )的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)�(gòu)�
(3) 多CPU �(jié)�(gòu)、分布式控制方式
目前,普遍采用這種�、下位機(jī)二級分布式結(jié)�(gòu),上位機(jī)�(fù)�(zé)整�(gè)系統(tǒng)管理以及�(yùn)�(dòng)�(xué)�(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多 C PU組成 ,每�(gè) CPU控制一�(gè)�(guān)節(jié)�(yùn)�(dòng),這些 CPU和主控機(jī)�(lián)系是通過總線形式的緊耦合,這種�(jié)�(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)�(gòu),即每�(gè)處理器承�(dān)固定任務(wù),目前世界上大多�(shù)商品化機(jī)器人控制器都是這種�(jié)�(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�(jī)來計(jì)算機(jī)器人控制算法,它們存在一�(gè)共同的弱�(diǎn):計(jì)算負(fù)�(dān)�、實(shí)�(shí)性差.所以大多采用離線規(guī)劃和前饋�(bǔ)償解耦等方法來減輕實(shí)�(shí)控制中的�(jì)算負(fù)�(dān),當(dāng)�(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾�(shí)其性能將受到影�,更難以保證高速運(yùn)�(dòng)中所要求的精度指�(biāo)�
并行處理�(jié)�(gòu)
并行處理技�(shù)是提高計(jì)算速度的一�(gè)重要而有效的手段,能滿足�(jī)器人控制的實(shí)�(shí)性要求,從文�(xiàn)來看,關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技�(shù),人們研究較多的是機(jī)器人�(yùn)�(dòng)�(xué)和動(dòng)力學(xué)的并行算法及其實(shí)�(xiàn) .1982� J. Y. S. Luh首次提出�(jī)器人�(dòng)力學(xué)并行處理問題 ,這是�?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�,計(jì)算十分復(fù)雜,提高�(jī)器人�(dòng)力學(xué)算法�(jì)算速度也為�(shí)�(xiàn)�(fù)雜的控制算法�: �(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�(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算� ,使之并行�,然后將算法映射到并行結(jié)�(gòu) .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的并行處理器�(jié)�(gòu) ,根據(jù)處理器結(jié)�(gòu)所支持的計(jì)算模� ,開發(fā)算法的并行�;二是首先開發(fā)算法的并行� ,然后�(shè)�(jì)支持該算法的并行處理器結(jié)�(gòu) ,以達(dá)到并行效��
隨著�(xiàn)代科�(xué)技�(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的�(jìn)�,對�(jī)器人的性能提出更高的要�。智能機(jī)器人技�(shù)的研究已成為�(jī)器人�(lǐng)域的主要�(fā)展方,如各種精密裝配�(jī)器人,位置混合控制機(jī)器人,多肢體�(xié)�(diào)控制系統(tǒng)以及先�(jìn)制造系�(tǒng)中的�(jī)器人的研究等。相�(yīng)�,對�(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但�,機(jī)器人自誕生以�,特別是工業(yè)�(jī)器人所采用的控制器基本上都是開�(fā)者基于自己的�(dú)立結(jié)�(gòu)�(jìn)行開�(fā)�,采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系�(tǒng)、專用微處理�.這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足�(xiàn)代工�(yè)�(fā)展的要求�
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(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)�(gòu),封閉的控制器結(jié)�(gòu)使其具有特定的功�、適�(yīng)于特定的�(huán)�,不便于對系�(tǒng)�(jìn)行擴(kuò)展和改�(jìn)�
(2)軟件�(dú)立性差軟件�(jié)�(gòu)及其邏輯�(jié)�(gòu)依賴于處理器硬件,難以在不同的系�(tǒng)間移��
(3)容錯(cuò)性差由于并行�(jì)算中的數(shù)�(jù)相關(guān)�、通訊及同步等�(nèi)在特�(diǎn),控制器的容�(cuò)性能變差,其中一�(gè)處理器出故障可能�(dǎo)致整�(gè)系統(tǒng)的癱��
(4)�(kuò)展性差目前。機(jī)器人控制器的研究著重于從�(guān)節(jié)這一級來改善和提高系�(tǒng)的性能.由于�(jié)�(gòu)的封閉�,難以根�(jù)需要對系統(tǒng)�(jìn)行擴(kuò)展,如增加傳感器控制等功能模��
總起來看,前面提到的無論串行�(jié)�(gòu)還是并行�(jié)�(gòu)的機(jī)器人控制器都不是開放式結(jié)�(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 Mo toman�(jī)器人的控制器是不開放�,用戶難以根�(jù)自己需要對其修改、擴(kuò)充功�,通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析,然后對其改��
隨著�(jī)器人控制技�(shù)的發(fā)�,針對結(jié)�(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷,開�(fā)“具有開放式�(jié)�(gòu)的模塊化、標(biāo)�(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是�(dāng)前機(jī)器人控制器的一�(gè)�(fā)展方向。近幾年,日本、美國和歐洲一些國家都在開�(fā)具有開放式結(jié)�(gòu)的機(jī)器人控制�,如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式�(jié)�(gòu)、網(wǎng)�(luò)功能的機(jī)器人控制�,我�863�(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對這方面的研究立項(xiàng)�
開放式結(jié)�(gòu)�(jī)器人控制器是指:控制器設(shè)�(jì)的各�(gè)層次對用戶開�,用戶可以方便的�(kuò)展和改�(jìn)其性能,其主要思想是:
(1)利用基于非封閉式�(jì)算機(jī)平臺(tái)的開�(fā)系統(tǒng),有效利用標(biāo)�(zhǔn)�(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條��
(2)利用�(biāo)�(zhǔn)的操作系�(tǒng),采用標(biāo)�(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��
(3)采用�(biāo)�(zhǔn)總線�(jié)�(gòu),使得為�(kuò)展控制器性能而必須的硬件,如各種傳感器,I/O�、運(yùn)�(dòng)控制板可以很容易的集成到原系�(tǒng)�
(4)利用�(wǎng)�(luò)通訊,實(shí)�(xiàn)資源共享或遠(yuǎn)程通訊.目前,幾乎所有的控制器都沒有�(wǎng)�(luò)功能,利用網(wǎng)�(luò)通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔�,我們可以根�(jù)上述思想�(shè)�(jì)具有開放式結(jié)�(gòu)的機(jī)器人控制�,而且�(shè)�(jì)過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系�(tǒng)�(shè)�(jì)和建立的一種現(xiàn)代方�,按模塊化方法設(shè)�(jì),系�(tǒng)由多種功能模塊組�,各模塊完整而單一,這樣建立起來的系�(tǒng),不僅性能�、開�(fā)周期短而且成本較低.模塊化還使系�(tǒng)開放,易于修�、重�(gòu)和添加配置功��