机器人控制器系统综述

重重庆邮电庆邮电大学大学 题题 目 目 机器人控制系统综述 学学 院 院 先进制造工程学院 科科 目 目 嵌入式系统及智能控制器设计 教教 师 师 刘想德 学生姓名 学生姓名 魏 新 学学 号 号 S161301016 专专 业 业 机械电子工程 机器人控制系统综述机器人控制系统综述 摘摘 要 要 伴随着机器人技术的飞速发展 机器人走进人们的日常生活 服务于家 庭及各类公共场所将不再遥远 目前而言 机器人的发展经历了一个长久的变 革 由最初的简单的机械装置到越来越智能化 就机器人控制系统也经过了一 系列的发展 本文简述了机器人控制系统 讨论了该系统的分类 综述了机器 人控制系统发展历程以及最新的研究内容和成果 关键词 关键词 机器人 控制器 智能化 一一 引言引言 控制系统是决定机器人功能和性能的主要因素 在一定程度上制约着机器 人技术的发展 它的主要任务就是控制机器人在工作空间中的运动位置 姿态 和轨迹 操作顺序及动作的时间等 模块化 层次化的控制器软件系统 网络 化机器人控制器技术等关键技术直接影响到机器人的速度 控制精度与可靠性 目前 机器人控制系统将向着基于 PC 机的开放型控制器方向发展 便于标准化 网络化 伺服驱动技术的数字化和分散化 二二 机器人的发展机器人的发展 20 世纪 60 年代 世界上第一台工业机器人在美国诞生 1 开创了工业化的 新纪元 机器人技术的发展标志着一个国家的高科技水平和工业化自动程度 因此 日本欧美等国家政府纷纷耗资去实施与机器人相关的战略计划 许多著 名的大学和公司都成立了机器人研究机构 如今 机器人技术得到了飞速的发 展 在军事 社会生产 医疗 服务等领域得到广泛运用 半个世纪以来 机 器人主要经历了三个发展阶段 2 第一代称为示教再现型机器人 该种机器人没有装备任何传感器 对环境 无感知能力 智能按照人类编写的固化程序工作 世界上第一台机器人即属此 类 第二代称为感觉型机器人 此种机器人拥有简单的传感器 可以感知外部 参数变化 有部分适应外部环境的能力 即可以根据外部环境的不同改变工作 内容 随着机器人应用领域的不断扩大 人类对机器人的期望也变得更高 有时 机器人所处的环境是十分复杂 未知的 设计者不可能考虑到所有的情况并编 程控制机器人 因此 一种具有智能的第三代机器人应运而生 这种智能机器 人可以认识周围环境和自身状态 并能进行分析和判断 然后采取相应的策略 完成任务 3 目前这种机器人大部分还是用于军事领域 有的学者则提出第四 代机器人的概念 4 主要指 2000 年以后出现的 拥有人类感情 能够思维的机 器人 目前仍在起步和研究阶段 三三 机器人控制系统的发展机器人控制系统的发展 1 机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类 机器人控制系统种类很多 他是现代运动控制系统应用的一个分支 目前 常用的运动控制器从结构上主要分为以单片机为核心的机器人控制系统 以 PLC 为核心的机器人控制系统 基于 IPC 运动控制器的工业机器人控制系统 以单片机为核心的机器人控制系统是把单片机 MCU 嵌入到运动控制器中 能够独立运行并且带有通用接口方式方便与其他设备通讯 单片机是单一芯片 集成了中央处理器 动态存储器 只读存储器 输入输出接口等 利用它设计 的运动控制器电路原理简洁 运行性能良好 系统的成本低 第二种是以 PLC 为核心的机器人控制系统 PLC 即可编程逻辑控制器 一 种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器 专为工业控制设计的计算机 符合 工业环境要求 他是自控技术与计算机技术结合而成自动化控制产品 广泛应 用于目前的工业控制各个领域 以 PLC 为核心的机器人控制系统技术成熟 编 程方便 在可靠性 扩展性 对环境的适应性有明显优势 并且有体积小 方 便安装维护 互换性强等优点 有整套技术方案供参考 缩短了开发周期 但 是和以单片机为核心的机器人控制系统一样 不支持先进的复杂的算法 不能 进行复杂的数据处理 虽然一般环境可靠性好但在高频环境下运行不稳定 不 能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹 第三种是基于运动控制器的机器人控制系统 基于 IPC 运动控制器是工业 机器人系统应用主流和发展趋势 基于 IPC 机器人控制系统的软件开发成本低 系统兼容性好 系统可靠性强 计算能力优势明显 因此由于计算机平台和嵌 入式实时系统的使用为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了硬件方面的保障 2 机器人控制技术的研究机器人控制技术的研究 随着机器人控制技术的迅猛发展各类机器人已广泛应用于工业 农业 国 防 科研 教育以及人们的日常生活等诸多领域 工业机器人运行稳定 速度 快 精度高 适应环境能力强 市场前景十分广阔 也是目前技术最成熟 应 用最广的一类机器人 机器人控制系统是机器人系统中的指挥中枢 因此机器 人控制系统必须可靠性高 功能全面 响应速度快 哈尔滨工程大学 5 设计的基于 PMAC 运动控制工业机器人控制系统是一种 典型控制系统 采用开放式硬件和软件结构 方便功能扩展适和各种用途的工 业机器人 并且设计控制系统时考虑了从控制角度降低系统运行误差 焊接机器人的作为工业生产机器人 应用十分广泛 尤其是对于我国南方 的集中化生产工厂 对于自动化生产机器人的需求十分强烈 同时 对于通过 视觉辅助机器人运动进行视觉伺服的功能研发也是今后长时间的研究热点以及 对于进一步通过机器人减少人工工作的重要突破口 针对以上问题 浙江大学 6 基 于数字图像处理 软件研发的知识 研究了一般的焊接机器人研发方式 通过 设计 编程以及验证 研发了焊接机器人的控制软件 并同时对于焊接的相关 视觉技术进行了研发 北京石油化工学院 7 基于 PMAC 设计了管道缺陷检测机器人的控制系统 采用 PC 机和 PMAC 运动控制卡组合的控制模式 PC 机控制云台的转动 实现 管道缺陷图像的采 PMAC 控制机器人本体的运动 实验证明 该控制系统能 够对管道缺陷检测机器人进行精确控制 使之准确检测到管道的缺陷 物流产业对经济发展的贡献日益突出 码垛是提高物流系统中物资搬运效 率和存储利用率的重要手段 使用码垛机器人代替人工码垛已经成为物流行业 发展的趋势 码垛机器人可以提高生产效率和产品质量 并提高系统应对新的 物流需求的能力 上海交通大学 8 探讨了基于 Windows RTX 的码垛机器人控制 系统软件设计 结合码垛机器人是一个实时多任务系统的特点 搭建了 Windows RTX 的软件平台 在能够继续利用 Windows 操作系统原有丰富资源的 前提下 通过扩展 RTX 实时模块弥补了 Windows 系统在实时性方面的缺陷 满 足了机器人控制系统的实时性要求 该系统符合机器人控制器开放性设计的思 想 当机器人功能要求变化时 只需要在体系结构中添加或删除相应的模块 而不需要修改软件体系结构将机器人的任务 提高了机器人的柔性 降低了机 器人维护和升级的成本 为开发更多功能的机器人控制系统奠定了基础 柔索牵引摄像机器人系统有着广泛的应用前景 由于其自身的运动特性能 给观众带来前所未有的视觉体验 目前许多大型赛事的实况转播和综艺广播电 视节目的录制都采用了该设备 国内学者对柔索牵引并联机器人的理论研究成 果已经很丰富 但是柔索牵引摄像机器人控制系统的成品设计却较少报道 西 安电子科技大学 9 设计了一种柔索牵引摄像机器人控制系统 能够实现摄像机 器人在三维工作空间内任意运动 并且运动速度平稳可控 室内移动机器人 因其所处的室内环境较室外环境 具有结构化程度高 受不确定因素影响较小等优点 从而降低了研究的复杂度 得到了国内外学术 界的广泛重视 南京理工大学 10 研究了一种基于差速驱动控制的室内轮式移动 机器人 并设计了基于 DSP 和 FPGA 的轮式移动机器人控制系统 设计的轮式 移动机器人控制系统满足设计功能要求 在最大速度为 lm s 的实验中 机器人 导航控制效果良好 最终的定位精度可以达到 1cm 以内 当今世界恐怖主义活动越来越猖獗 恐怖分子常在人流密集的地点安放爆 炸物 检测拆除这些危险装置 对于拆单人员来说是非常危险的 随着机器人 技术的成熟 拆弹机器人被广泛使用 但是要求机器人的控制精度非常高 北 京理工大学 11 研究基于 ARM9 微处理器 S3C2410 的拆弹机器人控制系统 根据 机器人的硬件设计 以嵌入式 Linux 操作系统作为软件开发平台 嵌入式控制 系统可以实现机器人多种控制 如运动控制 可疑物品搜索 爆炸物处理 与 远程控制系统通信并执行复杂的控制算法 当前机器人的操控方式却不乏单调 传统意义上的控制基本上是通过遥控 器 按钮 操作手柄来实现的 存在结构封闭 功能固定 系统柔性差 可重 构性差 缺乏运行时再配置机制等缺点 陈敬德等人 12 研发设计了一种新的控 制方式 体感控制 即操作者可直接通过手势对机器人进行控制 巧妙地将 Kinect 体感技术与机器人控制技术结合 创造性地实现了机器人控制方式上的 创新实现更加自然的人机交互 该系统由主机和从机两部分组成 通过 Kinect 体感传感器采集人体动作信息 在主机中进行图像处理解析出相应的人体动作 然后通过无线传输单元向机器人发送相应的控制指令 控制机器人做出响应 完成相应的一套动作或对人体动作进行实时模仿 制作的机器人样机运行良好 能够根据人体左右手的动作和语音命令 做出正确的响应 印度 Motilal Nehru National Institute of Technology 13 也研发了一套新的用人 的表情来来实时控制机器人的系统 该系统主要由人脸检测 面部表情识别和 机器人控制三个模块 控制成功率可达 97 3 3 机器人控制系统市场机器人控制系统市场 目前机器人控制系统特别是工业机器人控制系统 已经初步形成了标准化 模块化和市场化 库卡机器人 上海 有限公司 14 成都卡诺普机器人技术 15 等 公司提供了一系列的机器人控制系统 库卡机器人 上海 有限公司 SMARTPAD 触摸屏 图形辅助 灵活互动 机器人的功能越强大 直观 感知式机器人操作界面就越重要 在超大高清无反射触摸屏上以最佳的效果显 示出如何直观地操控机器人 智能交互式对话窗口向用户清晰地展示各项流程 在任何时刻都会为用户提供其在那一时刻 正好需要的操作元件 其目的是将用 户的注意力吸引到最重要的因素上 以便其能够直观 简单 快速并有效地工 作 真正实现全面智能 KR C4 更高效 更安全 更灵活 最重要的是更智能化 降低了自动化方 面的集成 保养和维护成本 并且同时持久地提高系统的效率和灵活性 这个 系统架构中集成的所有安全控制 机器人控制 运动控制 逻辑 控制均拥有相 同的数据基础和基础设施并可以对其进 行智能化使用和分享 使系统具有最高 性能 可升级性和灵活性 而且并不仅限于库卡机器人 KR C4 COMPACT 更高效 更安全 更灵活且更智能化 以其小巧的结构 提供高效 可靠的 KR C4 技术 灵活的结构设计和由此产生的可扩展性令其成 为一款全能型机器 同时能够大大减少硬件组件 电缆及插头的数量 并通过 基于软件的各种解决方案进行替代 高效 稳定 的控制系统采用免维护设计 温度调节式风扇技术可 根据需要短时开动且噪音低 KUKA SUNRISE CABINET 专为所有轻型机器人机型设计 因此可应用于协作 机器人 以其小巧的结构提供高效 可靠的库卡技术 灵活的结构设计和由此 产生的可扩展性令其成为一款全能型机器 同时能够大大减少硬件组件 电缆 及插头的数量 并通过基于软件的各种解决方案进行替代 高品质 稳定的控 制系统采用免保养设计 成都卡诺普机器人技术 CRP S80 采用国际流行的开放式软硬件平台 配以自主研发的专用多轴 运动控制卡 数据采集卡及机器人专用端子和安全接口 模块化的软件设计 针对不同的本体结构 应用行业 功能等 可实现垂直多关节串联机器人 垂 直多关节平行四边形机器人 垂直多关节 L 形手腕机器人 垂直多关节球形手 腕机器人 极坐标机器人 Delta 机器人等多类机器人的控制 应用在搬运 焊接 喷涂 码垛 切割 抛光打磨等领域 标准的计算机总线可扩展现场总 线 机器视觉系统等 CRP S40 采用国际流行的开放式软硬件平台 配以自主研发的专用多轴 运动控制 数据采集及机器人专用端子 和安全接口硬件技术 模块化的软件设 计 针对不同的本体结构 应用行业 功能等 在结构上该系统可实现极坐标 机器人 Delta 机器人 SCARA 机器人 码垛机器人等多类机器人的控制 该 系统可控制机器人应用在搬运 码垛 切割等领域 标准的计算机总线可扩展 现场总线 机器视觉系统等 四四 总结与展望总结与展望 机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分 它在一定程度上制约着机 器人技术的发展 然而传统的机器人控制系统存在结构封闭 功能固定 系统 柔性差 可重构性差 缺乏运行时再配置机制 组件的开发和整合限制在某种 语言上等问题 如今出现了各种基于网络 PC 人脸识别 实时控制等技术的 机器人控制系统 精度更高 功能更全 稳定性更好 并逐渐向标准化 模块 化 智能化方向发展 参考文献参考文献 1 机器人发展简史 J 机械工程师 2008 7 13 14 2 方建军 何广平智能机器人 M 北京化学工业出版社 2003 3 肖南峰智能机器人 M 广州华南理工大学出版社 2008 4 金周英关于我国智能机器人发展的几点思考 J 机器人技术与应用 2001 4 5 7 5 兰文宝 基于 PMAC 的工业机器人控制系统研究与实现 D 哈尔滨 哈尔滨工程大学 2013 6 刘吟啸 专用焊接机器人控制软件及相关视觉功能研究 D 杭州 浙江大学 2014 7 王伟 林顺英 基于 PMA C 的管道缺陷检测机器人控制系统的设计 J 安徽师范大学学报 自然科学版 2014 37 1 43 46 8 张明勇 基于 Windows RTX 的码垛机器人控制系统软件设计 D 上海 上海交通大学 2013 9 王龙 柔索牵引摄像机器人控制系统的设计与实现 D 西安 西安电子科技大学 2014 10 王珊珊 轮式移动机器人控制系统设计 D 南京 南京理工大学 2013 11 Zhu Jianguo