淺析工業(yè)機器人控制器的類型及功能

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

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。

1、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：

(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, Robo t-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)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)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：計算負擔(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。

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. Luh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)，以達到最佳并行效率。