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機器人控制器
閱讀�4304時間�2018-03-15 10:06:07

機器�控制�作為工業(yè)機器�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)��

背景

  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�(shù)的進步,機器人的發(fā)展已�(jīng)歷了3代:
  (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��
  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)�。目前,由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技�(shù)及其它相�(guān)�(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�(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��
  中國成為大工�(yè)機器人應(yīng)用市場指日可�,但遺憾的是,我國工�(yè)機器人產(chǎn)�(yè)�(fā)展較�,受相關(guān)技�(shù)和加工工藝等因素影響,中國市場上工業(yè)機器人基本被以ABB、庫卡、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的國外機器人品牌占�(jù)�,國�(chǎn)機器人品牌僅占約8%的市場份�??刂破髯鳛楣I(yè)機器人最為核心的零部件之一,必將受惠工�(yè)機器人的快速增�,但作為�(guān)鍵核心零部件的控制器市場,也同樣被外企所占據(jù)�

�(xiàn)狀

  國外
  工業(yè)機器人控制系�(tǒng)的主要任�(wù)是控制機器人在工作空間中的運動位�、姿�(tài)和軌�,操作順序及動作的時間等。它同時具有編程簡單、軟件菜單操�、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特��
  機器人自由度的高低取決于其可移動的關(guān)節(jié)�(shù)目,�(guān)節(jié)�(shù)愈多,自由度越高,位移精準度也愈出色,然所須使用的伺服電機�(shù)量就相對較多;換言�,愈精密的工�(yè)型機器人,其�(nèi)的伺服電機數(shù)量愈�,一般每臺多軸機器人由一套控制系�(tǒng)控制,也意味著控制器性能要求越高�
  控制�、軟件與本體一樣,一般由機器人廠家自主設(shè)計研�(fā)。目前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平臺基礎(chǔ)上進行自主研發(fā),各品牌機器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配。因�,控制器的市場份額基本和機器人保持一�,國�(nèi)企業(yè)控制器尚未形成市場競爭優(yōu)勀�
  國內(nèi)
  近年�,國�(nèi)運動控制(包括CNC)技�(shù)有了較快的發(fā)展。一些傳�(tǒng)生產(chǎn)�(shù)控設(shè)備的廠家開始研制具有運動控制特征的產(chǎn)�。為了提高機械設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,越來越多的機械設(shè)備制造廠商開始使用并且逐漸熟悉通用運動控制系統(tǒng),使得通用運動控制�(chǎn)品在很多原來運用不多的領(lǐng)域開始擴展開來�
  同時,部分數(shù)控設(shè)備廠家進行了機器人專用運動控制�(chǎn)品的開發(fā)和行�(yè)�(yīng)用的推廣,并逐漸走向成熟和產(chǎn)�(yè)化。這類企業(yè)以廣州數(shù)�、廣泰數(shù)控、埃斯頓等為代表,他們不只開�(fā)出來機器人專用的控制系統(tǒng),而且還借此進入機器人行�(yè),并成為國產(chǎn)機器人企�(yè)中的代表�
  隨著我國制造業(yè)市場的全球化,對制造業(yè)的技�(shù)和裝備提出了更高的要�,這給運動控制技�(shù)的推廣和高水平應(yīng)用帶來了契機。在此背景下,國�(nèi)逐步成長了一批的運動控制企業(yè),他們開始逐步向市場提供機器人專用控制器。這類企業(yè)以固高科技、卡諾普、眾為興等為代表,固高科技是國�(nèi)較早實現(xiàn)六軸機器人控制系�(tǒng)�(chǎn)�(yè)化的企業(yè)之一,目前主要向機器人集成商提供控制系統(tǒng)平臺,而卡諾普和眾為興的控制系�(tǒng)則在自己的機器人上獲得了較好的應(yīng)用經(jīng)�。于此同時,不少國內(nèi)機器人企�(yè)也陸�(xù)開發(fā)自己的控制系�(tǒng)�
  �(jīng)過多年的沉淀,國�(nèi)機器人控制器所采用的硬件平臺和國外�(chǎn)品相比并沒有太大差距,差距主要體�(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方�。隨著技�(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗的積累,國�(nèi)企業(yè)機器人控制器�(chǎn)品已�(jīng)交為成熟,是機器人產(chǎn)品中與國外產(chǎn)品差距最小的�(guān)鍵零部件。未來幾年中國國�(chǎn)機器人將得到快速發(fā)�,國�(chǎn)機器人控制器�(yīng)用市場面臨較好的�(fā)展契機,尤其是在運動控制�(lǐng)域深耕多年的企業(yè)�

類型

  機器人控制器是根�(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作�(yè)任務(wù)的裝�,它是機器人的心臟,決定了機器人性能的優(yōu)�,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)�(gòu)類型�
  串行處理�(jié)�(gòu)
  所謂的串行處理�(jié)�(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)�(gòu)、控制方式來劃分,又可分為以下幾種:
  (1) 單CPU �(jié)�(gòu)、集中控制方式用一臺功能較強的計算機實�(xiàn)全部控制功能,在早期的機器人� ,� Hero-I, Robo t-I� ,就采用這種�(jié)�(gòu),但控制過程中需要許多計� (如坐標變� ) ,因此這種控制�(jié)�(gòu)速度較慢�
  (2) 二級 CPU�(jié)�(gòu)、主從式控制方式一� CPU 為主�,擔當系�(tǒng)管理、機器人語言編譯和人機接口功� ,同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插�,并定時地把運算�(jié)果作為關(guān)節(jié)運動的增量送到公用�(nèi)�,供二級 CPU讀??;二級CPU完成全部�(guān)節(jié)位置�(shù)字控�.這類系統(tǒng)的兩個CPU總線之間基本沒有�(lián)� ,僅通過公用�(nèi)存交換數(shù)�(jù) ,是一個松耦合的關(guān)�.對采用更多的 CPU 進一步分散功能是很困難的.日本� 70年代生產(chǎn)� M otoma n機器� ( 5�(guān)節(jié) ,直流電機�(qū)� )的計算機系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)�(gòu)�
  (3) 多CPU �(jié)�(gòu)、分布式控制方式
  目前,普遍采用這種�、下位機二級分布式結(jié)�(gòu),上位機負責整個系�(tǒng)管理以及運動�(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多 C PU組成 ,每� CPU控制一個關(guān)節(jié)運動,這些 CPU和主控機�(lián)系是通過總線形式的緊耦合,這種�(jié)�(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)�(gòu),即每個處理器承擔固定任務(wù),目前世界上大多�(shù)商品化機器人控制器都是這種�(jié)�(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�,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(guī)劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負�,當機器人在運行中受到干擾時其性能將受到影�,更難以保證高速運動中所要求的精度指標�
  并行處理�(jié)�(gòu)
  并行處理技�(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�,關(guān)于機器人控制器并行處理技�(shù),人們研究較多的是機器人運動�(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實�(xiàn) .1982� 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�(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�,計算十分復(fù)�,提高機器人動力�(xué)算法計算速度也為實現(xiàn)�(fù)雜的控制算法�: 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�(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算� ,使之并行化,然后將算法映射到并行�(jié)�(gòu) .一般有兩種方式 ,一是考慮給定的并行處理器�(jié)�(gòu) ,根據(jù)處理器結(jié)�(gòu)所支持的計算模� ,開發(fā)算法的并行�;二是首先開發(fā)算法的并行� ,然后�(shè)計支持該算法的并行處理器�(jié)�(gòu) ,以達到并行效��

存在的問�

  隨著�(xiàn)代科�(xué)技�(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步,對機器人的性能提出更高的要求。智能機器人技�(shù)的研究已成為機器人領(lǐng)域的主要�(fā)展方,如各種精密裝配機器�,位置混合控制機器人,多肢體�(xié)�(diào)控制系統(tǒng)以及先進制造系�(tǒng)中的機器人的研究�。相�(yīng)�,對機器人控制器的性能也提出了更高的要�。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�(fā)者基于自己的獨立�(jié)�(gòu)進行開發(fā)的,采用專用計算�、專用機器人語言、專用操作系�(tǒng)、專用微處理�.這樣的機器人控制器已不能滿足�(xiàn)代工�(yè)�(fā)展的要求�
  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“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)�(gòu),封閉的控制器結(jié)�(gòu)使其具有特定的功�、適�(yīng)于特定的�(huán)�,不便于對系�(tǒng)進行擴展和改��
  (2)軟件獨立性差軟件�(jié)�(gòu)及其邏輯�(jié)�(gòu)依賴于處理器硬件,難以在不同的系�(tǒng)間移植�
  (3)容錯性差由于并行計算中的�(shù)�(jù)相關(guān)�、通訊及同步等�(nèi)在特�,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�(tǒng)的癱��
  (4)擴展性差目前。機器人控制器的研究著重于從�(guān)節(jié)這一級來改善和提高系�(tǒng)的性能.由于�(jié)�(gòu)的封閉�,難以根�(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展,如增加傳感器控制等功能模塊�
  總起來看,前面提到的無論串行�(jié)�(gòu)還是并行�(jié)�(gòu)的機器人控制器都不是開放式結(jié)�(gòu),無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改,例如,商品化的 Mo toman機器人的控制器是不開放的,用戶難以根�(jù)自己需要對其修改、擴充功�,通常的做法是對其詳細解剖分析,然后對其改��

展望

  隨著機器人控制技�(shù)的發(fā)�,針對結(jié)�(gòu)封閉的機器人控制器的缺陷,開�(fā)“具有開放式�(jié)�(gòu)的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器的一個發(fā)展方�。近幾年,日�、美國和歐洲一些國家都在開�(fā)具有開放式結(jié)�(gòu)的機器人控制器,如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式�(jié)�(gòu)、網(wǎng)�(luò)功能的機器人控制器,我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項�
  開放式結(jié)�(gòu)機器人控制器是指:控制器�(shè)計的各個層次對用戶開放,用戶可以方便的擴展和改進其性能,其主要思想是:
  (1)利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng),有效利用標準計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展創(chuàng)造條��
  (2)利用標準的操作系�(tǒng),采用標準操作系�(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��
  (3)采用標準總線�(jié)�(gòu),使得為擴展控制器性能而必須的硬件,如各種傳感�,I/O板、運動控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)�
  (4)利用�(wǎng)�(luò)通訊,實�(xiàn)資源共享或遠程通訊.目前,幾乎所有的控制器都沒有�(wǎng)�(luò)功能,利用網(wǎng)�(luò)通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔性,我們可以根�(jù)上述思想�(shè)計具有開放式�(jié)�(gòu)的機器人控制�,而且�(shè)計過程中要盡可能做到模塊�。模塊化是系�(tǒng)�(shè)計和建立的一種現(xiàn)代方法,按模塊化方法�(shè)�,系�(tǒng)由多種功能模塊組�,各模塊完整而單一,這樣建立起來的系�(tǒng),不僅性能�、開�(fā)周期短而且成本較低.模塊化還使系�(tǒng)開放,易于修�、重�(gòu)和添加配置功��

維庫電子�,電子知識,一查百��

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