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淺析工業機器人控制器的類型及功能

時間:2022-06-08 來源:艾而特

近幾年我國國產的工業機器人發展的速度愈發的快,這對于國產的工業機器人的制造是一個非常好的機遇,特別是在運動控制領域。工業機器人的軸數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量也就越多,高精密的工業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鍵部分之一,它從一定程度上影響著機器人的發展。

工業機器人

目前,由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步,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節型工業機器人,控制系統的綜合方法有較大差別,控制器的設計方案也不一樣。

機器人控制器是根據指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業任務的裝置,它是機器人的心臟,決定了機器人性能的優劣,從機器人控制算法的處理方式來看,可分為串行、并行兩種結構類型。

1、串行處理結構

所謂的串行處理結構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,從計算機結構、控制方式來劃分,又可分為以下幾種:

(1) 單CPU結構、集中控制方式用一臺功能較強的計算機實現全部控制功能,在早期的機器人中,如 Hero-I, Robo t-I等,就采用這種結構,但控制過程中需要許多計算 (如坐標變換),因此這種控制結構速度較慢。

(2) 二級CPU結構、主從式控制方式一級 CPU 為主機,擔當系統管理、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,并定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公用內存,供二級CPU讀取;二級CPU完成全部關節位置數字控制.這類系統的兩個CPU總線之間基本沒有聯系,僅通過公用內存交換數據,是一個松耦合的關系.對采用更多的CPU進一步分散功能是很困難的.日本于 70年代生產的 M otoma n機器人 ( 5關節,直流電機驅動 )的計算機系統就屬于這種主從式結構。

(3) 多CPU結構、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構,上位機負責整個系統管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多CPU組成,每個CPU控制一個關節運動,這些 CPU和主控機聯系是通過總線形式的緊耦合,這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結構,即每個處理器承擔固定任務,目前世界上大多數商品化機器人控制器都是這種結構。

控制器計算機控制系統中的位置控制部分,幾乎無例外地采用數字式位置控制。

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:計算負擔重、實時性差.所以大多采用離線規劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負擔,當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、并行處理結構

并行處理技術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,關于機器人控制器并行處理技術,人們研究較多的是機器人運動學和動力學的并行算法及其實現,1982年 J. Y. S. Luh首次提出機器人動力學并行處理問題,這是因為關節型機器人的動力學方程是一組非線性強耦合的二階微分方程,計算十分復雜,提高機器人動力學算法計算速度也為實現復雜的控制算法如:計算力矩法、非線性前饋法、自適應控制法等打下基礎。

開發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構,一般有兩種方式,一是考慮給定的并行處理器結構,根據處理器結構所支持的計算模型,開發算法的并行性;二是首先開發算法的并行性,然后設計支持該算法的并行處理器結構,以達到最佳并行效率。



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