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         1引言        從世界上第一臺遙控機械手的誕生至今已有50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(jìn)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

2、器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進(jìn)步，使得機器人的研究在高水平上進(jìn)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    2.1串行處理結(jié)構(gòu)所謂

3、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2.（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為主機，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)>' target='_blank'

4、; class='infotextkey'>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(jìn)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)，

5、上位機負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)>' target='_blank' class='infotextkey'>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)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)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

6、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    2.2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，能滿足機器人控制的實時性要求從文獻(xiàn)來看，關(guān)于機器人控

7、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(dá)到最佳并行效率 構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機

8、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(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  &#

9、160;  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(xiàn)6利用Transputer網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)逆運動學(xué)計算，而文獻(xiàn)7以實時控制為目的，分別實現(xiàn)了前饋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)8文獻(xiàn)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（

10、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(xiàn)10，11中設(shè)計的系統(tǒng)         3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(jìn)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，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

11、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(jìn)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訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放所采用的如文獻(xiàn)12所說的“專用計算機(如PUMA機器人采用PDP-11作

12、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

13、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(jìn)行擴展和改進(jìn)（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(jìn)行擴展，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)的機器人控

14、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     4機器人控制器的展望        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(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

15、有開放式結(jié)構(gòu)、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(jìn)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

16、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(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(xiàn)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

17、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(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現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能（4）  

18、   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(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Delta     Tau公司推出的PMAC(Programmable Multi-axies     Controller)在國內(nèi)外引起重視

19、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，PMAC可以同時操縱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

20、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、推動機器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義     作者簡介范 永： 男，    

21、; 27歲，博士生.研究領(lǐng)域：機器人控制器開發(fā)，多機器人協(xié)調(diào)譚 民： 男，     36歲，研究員，博導(dǎo)研究領(lǐng)域：機器人可靠性設(shè)計，機器人控制等作者單位：中國科學(xué)院自動化研究所北京100080參考文獻(xiàn)    1王樹國等. 智能機器人的現(xiàn)狀及未來.     機器人技術(shù)與應(yīng)用，19982 孫迪生,王炎著. 機器人控制技術(shù). 機械工業(yè)出版社，19973 Luh J Y S.     Scheduling of Parallel Co

22、mputation for a Computer Controlled Mechanical     Manipulator. IEEE Trans on Syst Man Cyber, 1982,     SMC-12(2)4 Ling Y L C, et al. A VLSI Robotic Vector     Processor for Real-time Control. IEEE Int Confon Robotics and Automation，  

23、   19885 Sadayappan P, et al. A Restructurable VLSI Robotics Vector     Processor Architecture for Real-time Control. IEEE Trans on Robotics and     Automation, 1989,l5(5)6 Fatanch H, David A F. Transputer-based Implemetion of Real-time Robot Po

24、sition Control.     Microprocessors and Microsystems, 1989,13(10)7     Hashimoto K et al. An Implementation Parallel Algorithm for Real-time     Model-based Control on a Network of Microprocessors. J of Robotics     Research, 1990,9(6)8 張 亮，馬莉波. 一種基于DSP的通用互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法.     微處理機，1997,49 方 濱. 基于多數(shù)字信號處理器系統(tǒng)的機器人控制器. 機器