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什么是機(jī)器人控制系統(tǒng) 如果僅僅有感官和肌肉,，人的四肢還是不能動(dòng)作,。一方面是因?yàn)閬碜愿泄俚男盘?hào)沒有器官去接收和處理,，另一方面也是因?yàn)闆]有器官發(fā)出神經(jīng)信號(hào),，驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張,。同樣,，如果機(jī)器人只有傳感器和驅(qū)動(dòng)器,，機(jī)械臂也不能正常工作,。原因是傳感器輸出的信號(hào)沒有起作用，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也得不到驅(qū)動(dòng)電壓和電流,，所以機(jī)器人需要有一個(gè)控制器,，用硬件坨和軟件組成一個(gè)的控制系統(tǒng)。
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機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測(cè)信號(hào),，根據(jù)操作任務(wù)的要求,，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)就像我們?nèi)说幕顒?dòng)需要依賴自身的感官一樣，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制離不開傳感器,。機(jī)器人需要用傳感器來檢測(cè)各種狀態(tài),。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器信號(hào)被用來反映機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，機(jī)器人的外部傳感器信號(hào)被用來檢測(cè)工作環(huán)境的變化,。 ( A7 J2 C! H5 u
所以機(jī)器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個(gè)完整的機(jī)器人控制系統(tǒng),。 / i! ?- I, w. c4 U$ i
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含哪些方面？ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)----伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī),； 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)----伺服或者步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,； 控制機(jī)構(gòu)----運(yùn)動(dòng)控制器，做路徑和電機(jī)聯(lián)動(dòng)的算法運(yùn)算控制,； 控制方式----有固定執(zhí)行動(dòng)作方式的,，那就編好固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器,；如果有加視覺系統(tǒng)或者其他傳感器的，根據(jù)傳感器信號(hào),，就編好不固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器,。
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機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能 1.控制機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)位置（即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過的點(diǎn)和移動(dòng)路徑）； 2.控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（即控制相鄰兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置）,； 3.控制運(yùn)動(dòng)速度（即控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)位置隨時(shí)間變化的規(guī)律）,； 4.控制運(yùn)動(dòng)加速度（即控制末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化）； 5.控制機(jī)械臂中各動(dòng)力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩：（即控制對(duì)操作對(duì)象施加的作用力）,； 6.具備操作方便的人機(jī)交互功能,，機(jī)器人通過記憶和再現(xiàn)來完成規(guī)定的任務(wù)； 7.使機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境有檢測(cè)和感覺功能,。工業(yè)機(jī)器人配備視覺,、力覺、觸覺等傳感器進(jìn)行測(cè)量,、識(shí)別,，判斷作業(yè)條件的變化。
; Q/ N& C. w4 Q2 l工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng) 1,、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 5 x9 X; {( @. G! n6 h* p7 L
控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心,，國(guó)外有關(guān)公司對(duì)我國(guó)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(jià)格則越來越便宜，目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處理器,。高性價(jià)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(jì)算與存儲(chǔ)能力,，目前機(jī)器人控制器多采用計(jì)算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列,、POWERPC系列,、Intel系列等芯片組成,。 ) \# R9 U3 h I' J$ ]
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(jià)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(duì)SoC（Systemon Chip）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(jiǎn)化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì),，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(gè)完整的SoC系統(tǒng),。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器方面，其研究主要集中在美國(guó)和日本,，并有成熟的產(chǎn)品,，如美國(guó)DELTATAU公司,、日本朋立株式會(huì)社等,。其運(yùn)動(dòng)控制器以DSP技術(shù)為核心，采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu),。
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2,、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
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在控制器體系結(jié)構(gòu)方面，其研究重點(diǎn)是功能劃分和功能之間信息交換的規(guī)范,。在開放式控制器體系結(jié)構(gòu)研究方面,，有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是基于硬件層次劃分的結(jié)構(gòu),，該類型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,，在日本，體系結(jié)構(gòu)以硬件為基礎(chǔ)來劃分,，如三菱重工株式會(huì)社將其生產(chǎn)的PA210可攜帶式通用智能臂式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為五層結(jié)構(gòu),；另一種是基于功能劃分的結(jié)構(gòu)，它將軟硬件一同考慮,，其是機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)研究和發(fā)展的方向,。 7 W# W1 u% y1 t4 Q6 q; m
3、控制軟件開發(fā)環(huán)境
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在機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境方面,，一般工業(yè)機(jī)器人公司都有自己獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和獨(dú)立的機(jī)器人編程語(yǔ)言,，如日本Motoman公司、德國(guó)KUKA公司,、美國(guó)的Adept公司,、瑞典的ABB公司等。 0 G# `5 e. b. |5 R, o+ ~9 r4 [5 e
很多大學(xué)在機(jī)器人開發(fā)環(huán)境(Robot Development Environment)方面已有大量研究工作,，提供了很多開放源碼,，可在部分機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行集成和控制操作，目前已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn),。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境有Team Bots,，v.2.0e、ARIA,，V.2.4.1,、Player/Stage,，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0,、CARMEN.v.1.1.1,、Mission Lab.v.6.0、ADE.V.1.0beta,、Miro.v.CVS-March17.2006,、MARIE.V.0.4.0、Flow Designer.v.0.9.0,、Robot Flow.v.0.2.6等等,。 % z) E. M O& M% G/ F. p e1 y
從機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，對(duì)機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境有兩方面的需求,。一方面是來自機(jī)器人最終用戶,，他們不僅使用機(jī)器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機(jī)器人更多的功能,，這種編程往往是采用可視化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的,，如樂高M(jìn)ind Storms NXT的圖形化編程環(huán)境和微軟Robotics Studio提供的可視化編程環(huán)境。
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4,、機(jī)器人專用操作系統(tǒng)
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（1）VxWorks,，VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)Wind River公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分,。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu),；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通信,；微秒級(jí)的中斷處理,；支持POSIX1003．1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的,、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等,。
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（2）Windows CE，Windows CE與Windows系列有較好的兼容性,，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢(shì),。WindowsCE為建立針對(duì)掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái),，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行,，并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備。
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（3）嵌入式Linux,，由于其源代碼公開,，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用,。其中大部分都遵從GPL,，是開放源代碼和免費(fèi)的,。可以稍加修改后應(yīng)用于用戶自己的系統(tǒng),。有龐大的開發(fā)人員群體,，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語(yǔ)言即可,。支持的硬件數(shù)量龐大,。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持,。而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到,，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來很大方便。
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（4）μC/OS-Ⅱ,，μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核,，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的,，可用于8位,，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。它的主要特點(diǎn)是公開源代碼,、可移植性好,、可固化、可裁剪性,、占先式內(nèi)核,、可確定性等。
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（5）DSP/BIOS,，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM,，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺(tái)所設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發(fā)工具的組成部分之一,。DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核,；實(shí)時(shí)分析工具；芯片支持庫(kù),。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)程序,，可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜的DSP程序。 5 w) X& w E$ t- ~: z3 N( e
5,、機(jī)器人伺服通信總線技術(shù)
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目前國(guó)際上還沒有專用于機(jī)器人系統(tǒng)中的伺服通信總線,，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常根據(jù)系統(tǒng)需求,，把常用的一些總線,，如以太網(wǎng)、CAN,、1394,、SERCOS,、USB、RS-485等用于機(jī)器人系統(tǒng)中,。當(dāng)前大部分通信控制總線可以歸納為兩類,，即基于RS-485和線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的串行總線技術(shù)和基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的高速串行總線技術(shù)。
0 _" H. ]0 x' a0 ^智能機(jī)器人控制系統(tǒng) ) f6 O; i: \( C7 W. D" H/ g
1.開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),，分為機(jī)器人控制器(RC),，運(yùn)動(dòng)控制器(MC)，光電隔離I/O控制板,、傳感器處理板和編程示教盒等,。機(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯,、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能,，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入,。 4 X% X) o6 Z. I( b( Z% Y. P
2.模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性,。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層,。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求,，對(duì)應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成,，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能,。
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3.機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行 診斷,，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù),，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。
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4.網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展,，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要,。控制器上具有串口,、現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能,。可用于機(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊,，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控,、診斷和管理。
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發(fā)表于 2018-1-11 21:35:05
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