1、自动化系1第八章第八章 开放式机器人控制器开放式机器人控制器自动化系2 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 自动化系3串行处理结构串行处理结构 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）单单CPU结构、集中控制方式结构、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
2、-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）二级二级CPU结构、主从式控制方式结构、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自动化系4 （3）多
3、多CPU结构、分布式控制方式结构、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，这些这些CPU和主控机联系是通和主控机联系是通过总线形式的紧耦合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 采用串行机来计算机器人控制算法的弱点弱点：计算负担重、计算负担重、实时性差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
4、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自动化系5并行处理结构并行处理结构 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
5、，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 开发并行算法的途径之一就是改造串行算法，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 方式方式1 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
6、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自动化系6 （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）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 Transput
7、er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 自动化系7综合起来，现有机器人控制器存在
8、很多问题，如：（1）开放性差：）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（3）容错性差：）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：）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（5）缺少网络
9、功能：）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自动化系8 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 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。自动化系9开放式机器人控制器应具有特征开放式机器人控制器
10、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自动化系10新
11、型开放式机器人控制器的特点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（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
12、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自动化系11典型的开放式控制器规范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
13、车公司1994年开始的一项名为“开放式、模块化体系结构控制器（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。自动化系12开放式机器人控制器实现开放式机器人控制器实现 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）V
14、ME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。（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。自动化系13
15、基于基于PC的开放式控制器模式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。这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系，仅通过共享内存交换数据。自动化系14 （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。自动化系15
16、 （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。用作程序器和计算单元的微处理器存储器二进制I/O接口操作者控制器视觉系统公用总线关节1的伺服控制器功率放大器传感器（位置、速度）电机关节n的伺服控制器功率放大器传感器（位置、速度）电机手抓接口装置摄像机实时时钟功率源二进制I/O.关节传感器信息接机械
17、手上的手抓关节闭环控制关节闭环控制自动化系16开放式运动控制器介绍开放式运动控制器介绍 （1）摩信科技的MCT8000系列运动控制器：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。自动化系17 （2）固高科技的GE/GT/GH系列运动控制器：(http:/)固
18、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。其核心由ADSP2181 数字信号处理器和FPGA 组成，可以实现高性能的控制计算。GT 系列运动控制器以IBM-PC 及其兼容机为主机，提供标准的ISA 总线和PCI 总线两个系列的产品。作为选件，在任何一款产品上可以提供RS232 串行通讯和PC104 通讯接口方便用户配置系统。运动控制器提供C
19、 语言函数库和Windows 动态链接库，实现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。使用该运动控制器，要求使用者具有C 语言或Windows 下使用动态链接库的编程经验。自动化系18GT 系列运动控制器自动化系19 技术特点技术特点:l采用高性能DSP和FPGA 技术。l每块卡可控制每块卡可控制4个伺服个伺服/步进轴。步进轴。l可编程伺服采样周期，四轴最小插补周期为200微秒，单轴点位运动最小控制周期为25微秒。l运动方式：单轴点位运动、直线插补、圆弧插补、速度控
20、制、手脉输入、电子齿轮。l可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数。l所有计算参数和轨迹规划参数均为32位。l用户可定义坐标系，便于编程。l四轴联动，24轴直线插补，任意2轴圆弧插补。l具有连续插补功能。l底层循环程序缓冲区（4K）存储用户运动信息，提高通讯效率。l可编程事件中断：外部输入中断、事件中断（包括位置信息、特殊运动事件等）以及时间中断。l可设置跟随误差极限、加速度极限、控制输出极限等，保证控制安全可靠。lPID数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器（GT-400-SV卡）。l硬件捕获原点开关和编码器Index信号，实现高精度机器原点位置锁存。l
21、网络接口（以太网、Profibus-DP、RS232、RS422/485）(选件)。自动化系20 （3）Delta Tau公司的PMAC运动控制器：（北京元茂兴控制设备技术有限责任公司 http:/ Tau公司推出的PMAC(Programmable Multi-axies Controller)是采用板卡结构的一种功能强大的运动控制器，它全面地开发了DSP技术的强大功能，为用户提供了很强的功能和很大的灵活性适用范围广，包括PCI、VME、PC/104 等总线通讯型式，也可以脱机独立工作。借助于Motorola 公司的DSP56001数字信号处理器，PMAC可以同时操纵18轴PMAC2-PCP
22、MAC2-VEMPMAC2-PC/104自动化系21硬件特色硬件特色:40 MHz DSP563xx CPU；128k x 24 零等待SRAM；512k x 8 flash memory 用于固件和用户备份；2k x 8 EEPROM memory 用于参数备份；最新版本的固件；RS-232/422 串口，PCI(PC)总线接口；4轴通道接口电路，每一个包括：（可选8 轴）16 位+/-10V 模拟量输出；3路标准编码器输入；四个标志信号输入（限位，回零，报警等），两个标志信号输出（使能等）；需要扩展的16-位ADC 输入；通用I/O，可扩展I/O；高精度时钟+/-100 ppm；PID/馅
23、波/前馈伺服算法。自动化系22软件特色软件特色:运动轨迹规划 支持S 曲线加减速的直线/圆弧查补；快速运动；三次样条查补模式spline；三次隐式样条查补Hermite-spline(PVT)；自动硬件捕捉/触发功能；交互式手动运动；可选择的运动提前预算lookahead。换相特色 交流伺服电机的正弦换相 交流感应电机的矢量控制 数字电流环（使用PWM 输出时）(只适用PMAC2)可以使用的反馈形式 数字积分编码器；正弦编码器；旋转变压器；电位计；并行数字编码器；MLDTs；串行编码器（例如：SSI）。运动程序特色 高级程序语言；自动按顺序执行运动；使用用户工程单位编程；运动的值可以是公式，也
24、可以是常量；自动匹配坐标系里的各轴，支持G 代码，和代码扩展。伺服特点 独立的数字PID 反馈滤波；速度前馈，加速度前馈，摩擦力前馈；2路馅波滤波器；PID 参数可随时任意改变；可编程的极限输入，输出；可选择的多级点伺服算法。计算特色 实时多任务系统；48 位浮点数编程；三角函数和超越函数；自动匹配不同的变量类型。笛卡儿坐标系或者主/从特色 用户自定义的笛卡儿坐标系；可分离运行程序的坐标系；支持多个电机的坐标系；轴空间的转化（例如：坐标系偏置，旋转，镜像）；电子齿轮（不是编程必须的）；电子凸轮（需要编程支持）。PLC 程序特色 与运动程序异步；可通过PLC 控制硬件I/O；脱机运行时，作为支持
25、平台；安全和状态监视；伺服比例行程安排；数据报告功能；可使用控制器的全部寄存器。自动化系23开放式运动控制器结构平台上的机器人控开放式运动控制器结构平台上的机器人控制系统介绍制系统介绍 （1）SIASUN-06B工业机器人：中科院沈阳自动化所研发的基于PC总线和CAN总线的工业机器人控制器。机器人各个关节驱动采用日本安川伺服系统，同时采用高精度、高刚性的小型RV减速机和新型高精度谐波减速器。具有工作空间大，运动高速、平稳、灵活、低噪声等特点。自动化系24 控制系统结构：上位机：通过现场总线与主机算机通讯。主机算机：完成机器人运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O等功能。机器人关节运动
26、控制由伺服放大器完成。不足：结构底层运动程序难于修改，开放性较差；而且CAN总线开放性不彻底，未来的机器人的网络化控制要求采用更加广泛的以太网。自动化系25 SIASUN-06B工业机器人控制系统 （1）安川伺服驱动系统结构：自动化系26（2）SIASUN-06B工业机器人系统硬件结构：自动化系27（3）SIASUN-06B工业机器人系统PMAC运动控制器控制算法结构：自动化系28 （2）具有内外传感器的开放式机器人系统：沈阳自动化所研制的开放式、模块化的先进机器人系统控制器，集成了先进的伺服控制算法、复杂的运动规划方法、系统可靠性设计、容错控制技术，实现了高精度、稳定性的机器人实时控制。同时
27、完成了跨平台的远程网络控制模块，实现了机器人系统的远程网络控制要求。并完成了基于结构光方法与双目视觉系统相结合的实时视觉伺服控制系统。自动化系29开放式机器人控制器结构：1.硬件平台（1）机器人本体采用了日本Yaskawa公司的K10机器人。（2）电机采用了日本Yaskawa公司生产的交流伺服电机，驱动 器采用了日本Yaskawa公司生产的交流伺服放大器。（3）运动控制器采用了美国Delta Tau公司的PMAC运动控制器。（4）上位计算机采用AdvanTech 工控机。自动化系30 2.软件平台 要求软件同硬件一样具有模块化和开放性，并具有易用性。（1）操作系统：Windows NT（2）开
28、发系统：Visual C（3）机器人上层控制模块：离线仿真模块、示教在线模块、机器人语言、上层运动控制模块。主要用于完成位置示 教、任务规划、轨迹插补、位姿运动学方程求解。与硬 件无关。（4）底层控制模块：底层运动控制模块的作用是将上层与设 备无关的操作转变成对硬件的操作命令。例如将关节指 令转化成对电机的操作。它是硬件与软件的主接口。（5）位置控制模块：由PMAC运动控制卡完成，上层通过通讯 模块对其控制。（6）通讯模块：通过Delta Tau公司提供的Pcomm32驱动程序 实现。自动化系31 目前世界性的机器人足球组织主要有两个，一个是国际机器人足球联盟 FIRA(Federation
29、of International Robot-soccer Association，FIRA)，另一个是机器人足球世界杯 RoboCup。自动化系32=FIRA简介简介=FIRA机器人足球比赛最早由韩国高等技术研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)的金钟焕(Jong-Hwan Kim)教授于1995年提出，并于1996年在KAIST所在的韩国举办了第一届国际比赛。1997年6月，第二届微机器人足球比赛(MiroSot97)在KAIST举行期间，国际机器人足球联盟(Federation of Internatio
30、nal Robot-soccer Association，FIRA)宣告成立。此后FIRA在全球范围内每年举行一次机器人世界杯比赛(FIRA Cup)，同时举办学术会议(FIRA Congress)，供参赛者交流他们在机器人足球研究方面的经验和技术。机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。更有意义的是，机器人足球比赛的组织者始终奉行研究与教育相结合的根本宗旨。比赛与学术研究的巧妙结合更激发了青年学生的强烈兴趣，通过比赛培养了青年学生严谨的科
31、学研究态度和良好的技能。自动化系33=FIRA简介简介=国际机器人组织FIRA目前拥有的比赛种类有如下六大类：半自主型机器人足球：MiroSot 全自主型机器人足球：RoboSot类人机器人足球：HuroSot 仿真机器人足球：SimuroSot超小型半自主机器人机器人足球：NaroSot超小型全自主机器人足球：KheperaSot FIRA举办的历届世界杯机器人足球赛情况 数次 大会名称 大会日期 大会地点 1 MiroSot96Korea 1996.11 Dacjeon 2 MiroSot97Korea 1997.6 Dacjeon 3 1998 FIRA Cup France 1998.
32、6 Paris 4 1999 FIRA Cup Brazil 1999.8 Campinas 5 2000 FIRA Cup Australia 2000.9 Rockhampion 6 2001 FIRA Cup China 2001.8 Beijing 7 2002 FIRA Cup Korea 2002.5 Busan,Dargu 8 2003 FIRA Cup Austria 2003.9 Vienna 9 2004 FIRA Cup Korea 2004.10 Busan 10 2005 FIRA Cup狮城新加坡 2005.12 新加坡国立大学 官方网站：自动化系34=RoboCu
33、p简介简介=早在1993年，Alan Mackworth就提出机器人足球比赛是很好的机器人和AI研究的实验平台。1997年8月23-29日，第一届机器人足球世界杯RoboCup比赛及会议在日本的名古屋举行。建造机器人进行足球比赛是很有挑战性的工作，激发了大家极大的研究兴趣。机器人足球赛涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和技术集成，实际上是高技术的对抗赛。足球赛有严格的比赛规则，融趣味性、观赏性、科普性为一体。从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。自动化系35=RoboCup简介简介=RoboCup是一个国际性的研究和教育组织
34、，它通过提供一个标准问题来促进人工智能和智能机器人的研究。这个领域可以集成并检验很大范围内的技术，同时也可作为面向教育的集成性项目。RoboCup选择了足球比赛作为基本的领域，并组织了RoboCup：机器人足球世界杯及学术会议。为了能让一个机器人球队真正能够进行足球比赛，必须集成各种各样的技术，包括自治智能体的设计准则、多智能体合作、策略获取、实时推理、机器人学以及传感器信息融合等。对一个由许多快速运动的机器人组成的球队来说，RoboCup是一项在动态环境下的任务。RoboCup机器人足球比赛种类有如下七大类：11VS11仿真组比赛5VS5小型机器人组比赛小型机器人组标准比赛（每队11人）中型机器人组比赛Sony四腿机器人比赛人形机器人比赛(从2002年开始，2002年前可能会有演示)遥控机器人比赛 官方网站：www.robocup.org
