8 开放式机器人控制器

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典型的开放式控制器规范
（1） OSASA： 1990年由欧共体国家发起的，在1992年正式得到认可的PRIT项目计
划。一个OSACA控制系统在结构上分为两个部分，应用软件和系统平台。 前者体现应用系统自身的功能需求，后者则是整个系统实现的基础。
（2） OMAC： 由美国三大汽车公司1994年开始的一项名为“开放式、模块化体系
（2）PC总线是一种开放性总线，使得系统结构具有开放性、模块化、 可嵌入的特点。其广泛的用户基础而成为基于PC的机器人控制器的首选。 目前，Motoman、Seiko等均把基于PC的机器人作为主要发展方向。
2. 软件系统：
开放式软件系统应具有特点：可移植性，便于升级和软件复用；交 互性和分布性；效率；健壮性。其操作系统的选择应基于下面原则：通 用性，必要的实时处理能力，具有多任务处理、多线程功能，便于使用 通用的软件开发工具，丰富的应用软件资源。
（3）容错性差： 由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步 等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出故障可 能导致整个系统的瘫痪．
（4）扩展性差： 目前，机器人控制器的研究着重于从关节这 一级来改善和提高系统的性能．由于结构的封闭性，难以根据需 要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块．
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并行处理结构
并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能 满足机器人控制的实时性要求．关于机器人控制器并行处理技术， 人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现．
1982年，首次提出机器人动力学并行处理问题。原因：关节 型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程，计 算十分复杂．
深圳市摩信科技有限公司是中国第一家业从事“基于网络技术的开 放式结构高性能DSP运动控制系统”软硬件产品的开发、制造、销售和 服务的高新技术企业。摩信科技独立开发了中国第一台基于网络技术的 开放式结构高性能MCT8000F8(8轴)运动控制器。摩信科技推出的基于网 络技术的开放式结构高性能MCT8200F32(32轴)运动控制器，进一步把中 国运动控制系统的研究、开发和生产推进到国际领先水平。
处理器
存储器
公用总线
二进制I/O
...
二进制 I/O接口
关节1的伺服 控制器
…
关节n的伺服 控制器
操作者控制器
手抓接口 装置
关节 传感器 信息
功率 放大器
功率源
功率 放大器
接机械手上的手抓 关节闭环控制
传感器 （位置、速度）
电机
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电机
传感器 （位置、速度）
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开放式运动控制器介绍
（1） 摩信科技的MCT8000系列运动控制器：
第八章 开放式机器人控制器
机器人控制器类型 机器人控制器存在的问题 开放式结构的机器人控制器 机器人足球（仿真）
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机器人控制器类型
机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器 人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人 的心脏，决定了机器人性能的优劣．
从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、 并行两种结构类型．
个CPU总线之间基本没有联系，仅通过共享内存交换数据。
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（3） PC+DSP控制模式： 利用了以DSP为核心的多轴运动控制技术。这种模式充分利用了
多轴运动控制卡的特性，将它同通用工业PC机组合，在加上系统控 制软件，构造新一代的开放机器人通用控制系统。
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（4） PC+分布式控制器控制模式： 是一种多CPU结构，分布式控制方式。普遍采用上下位机的二
（3） 有效的任务划分： 不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、 添加、配置功能．
（4） 实时性、多任务要求： 机器人控制器必须能在确定的时间内完成对外 部中断的处理，并且可以使多个任务同时进行．
（5） 网络通讯功能： 以便于实现资源共享或多台机器人协同工作． （6）形象直观的人机接口：
由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一 个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业 PC良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线 结构，标准接口等，打破现有机器人控制器结构封闭的局面，开发结构开放性、 功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的．
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基于PC的开放式控制器模式
（1）单PC控制模式： 以PC机为核心，配置实时操作系统，以适应控制系统
的实时性要求，将位置伺服卡、数字I/O卡等专用模块插到 PC机的扩展插槽，或以数字伺服接口连接伺服系统和PLC 逻辑接口，构成单机数控系统。
（2） PC+PC控制模式： 是一种两级CPU结构。主从控制方式。这类系统的两
定义：开放式结构机器人控制器是指：控制器设计的各个层次对 用户开放，用户可以方便的扩展和改进其性能。
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开放式机器人控制器应具有特征
（1） 可移植性： 在不同的控制器或硬件平台上运行相同的系统组件 （硬件装置和软件API）的能力．
（2） 可互操作性： 指系统组件之间可以相互协调共同工作． （3） 可互换性： 指同类产品的互换能力，可选择具有相同功能成本 较低、容量和可靠性较高的产品． （4） 可派生性： 指通过对系统的某些组件进行升降级即可增减系统 功能的能力． （5） 模块化： 开放系统由一系列功能模块通过搭积木的方式组成． （6）即插即用： 采用模块化的结构组织且各模块具有“热插拔”的即 插即用能力． （7）易获得性： 构成开放系统的模块不依赖于某一特定供应商，功能 相似、接口相同的模块之间可以互换． （8）可扩展性： 开放系统的功能可方便的进行扩展．
1. 开放式硬件平台：
硬件平台满足要求：1.基于标准总线结构，具有可伸缩性；2.硬件 结构具有必要的实时计算能力；3.开放性要求硬件模块化；4.低成本。目 前采用的硬件平台分为两类：基于VME总线的系统和基于PC总线的系统。
（1）VME总线是一种广泛应用于工业控制、军事、航空、交通和办 公设备的工业总线， 基于VME总线的系统通常采用Vxworks、Unix操作 系统作为软件开发平台。
采用串行机来计算机器人控制算法的弱点：计算负担重、 实时性差．大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时 控制中的计算负担．当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到 影响，更难以保证高速运动中所要求的精度指标．
由于机器人控制算法的复杂性以及机器人控制性能的亟待 提高，许多学者从建模、算法等多方面进行了减少计算量的努力， 但仍难以在串行结构控制器上满足实时计算的要求．因此，必须 从控制器本身寻求解决办法．方法之一是选用高档次微机或小型 机；另一种方法就是采用多处理器作并行计算，提高控制器的计 算能力．
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机器人控制器存在的问题
综合起来，现有机器人控制器存在很多问题，如：
（1）开放性差： 局限于“专用计算机、专用机器人语言、专 用微处理器”的封闭式结构．封闭的控制器结构使其具有特定的 功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进．
（2）软件独立性差： 软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬 件，难以在不同的系统间移植．
（5）缺少网络功能： 现在几乎所有的机器人控制器都没有网 络功能．
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开放式结构的机器人控制器
随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器 的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器” 是当前机器人控制器的一个发展方向．近几年，日本、美国和欧 洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安 川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制 器．我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项．
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新型开放式机器人控制器的特点
（1） 开放式系统结构： 采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩 充功能，使其适用不同类型机器人或机器人化自动生产线．
（2） 合理的模块化设计： 对硬件来说，根据系统要求和电气特性，按模块 化设计，这不仅方便安装和维护，而且提高系统可靠性，系统结构也更为紧凑．
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（2） 固高科技的GE/ GT/GH系列运动控制器：
(http://www.googoltech.com.cn)
固高公司生产的GT 系列通用型运动控制器，它拥有的GT-400-SV、 GT-400-SG、GT-400-SP、GT-400-SG-S、GT-400-SD等几款产品，可以 同步控制四个运动轴，实现多轴协调运动，从简单的点位控制设备到复 杂的轮廓控制设备如雕刻机、测量机、数控机床、加工中心、机器人等 均可适用。
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（2）利用有并行处理能力的芯片式计算机构成并行处理网络 Transputer是英国Inmos公司研制并生产的一种并行处理用的
芯片式计算机．利用 Transputer芯片的4对位串通信的link对，易 于构造不同的拓扑结构，且Transputer具有极强的计算能力．利用 Transputer并行处理器，人们构造了各种机器人并行处理器，如流 水线型、树型等．利用Transputer网络实现逆运动学计算．
随着数字信号芯片速度的不断提高，高速数字信号处理器 （DSP）在信息处理的各个方面得到广泛应用．DSP以极快的数 字运算速度见长，并易于构成并行处理网络．基于DSP的机器人 控制器，采用并行/流水线的设计方案，提高了控制器性能． （3）利用通用的微处理器
利用通用微处理器构成并行处理结构来支持大量计算，实现 复杂控制策略在线实时计算和控制．
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（3） 多CPU结构、分布式控制方式 目前，普遍采用这种上、下位机二级分布式结构，上位机负
责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等．下位机由多CPU 组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和主控机联系是通 过总线形式的紧耦合．这种结构的控制器工作速度和控制性能明 显提高．但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用 的功能分布式结构，即每个处理器承担固定任务．目前世界上大 多数商品化机器人控制器都是这种结构．
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串行处理结构
所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处 理．对于这种类型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分， 又可分为以下几种. （1） 单CPU结构、集中控制方式
用一台功能较强的计算机实现全部控制功能．在早期的机器 人中，如Hero-I, Robot-I等，就采用这种结构，但控制过程中需要 许多计算（如坐标变换），因此这种控制结构速度较慢． （2） 二级CPU结构、主从式控制方式
一级CPU为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接 口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并 定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级 CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制．这类系统的两 个CPU总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一 个松耦合的关系．对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难 的．日本于70年代生产的Motoman机器人（5关节，直流电机驱动） 的计算机系统就属于这种主从式结构．
开发并行算法的途径之一就是改造串行算法，使之并行化， 然后将算法映射到并行结构．
方式1：考虑给定的并行处理器结构，根据处理器结构所支持 的计算模型，开发算法的并行性；
方式2：首先开发算法的并行性，然后设计支持该算法的并行 处理器结构，以达到最佳并行效率．
构造并行处理结构的机器人控制器的计算机系统一般采用以 下方式：
（1）开发机器人控制专用VLSI
设计专用VLSI能充分利用机器人控制算法的并行性,依靠芯片 内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算， 能大大提高运动学、动力学方程的计算速度．但由于芯片是根据 具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使用，因此采 用这种方式构造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发．
级分布结构，上位机负责系统管理以及运动学计算、轨迹规划。下 位机由多个CPU组成，每个控制一个关节的运动，与主控机通过总线 形式耦合。控制器工作速度和控制性能明显提高，但这种多CPU系统 共有的结构是针对具体问题而采用的功能分布式结构，导致系统受 限于特定应用环境。
摄像机
实时时钟
视觉系统
用作程序器和 计算单元的微
结构控制器（OMAC）的计划，用于降低控制系统的投资成本和维护费 用，提供软硬件的即插即用和高效的控制器重构机制，简化新技术到原 有系统的集成 。
（3） OSEC： 控制器开放系统环境（ OSEC ）由东芝、丰田和mazak共同组建，
目的是建立一个国际化的工厂自动化控制设备标准。
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开放式机器人控制器实现