硅谷杂志：机器人控制系统的模块化设计 |
| 2012-08-11 17:57 作者：胡伟健 李灵芳 范冉 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月11日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，为提高机器人控制系统设计的工作效率，提出基于模块化思想的控制系统设计方法。把控制系统的硬件部分和软件部分按功能分解成一系列标准模块，将标准模块按照实际需要的设计结构进行组合，即可实现机器人控制系统的设计。采用这种模块化方法实现机器人控制系统设计上的简单化，功能上的灵活化。
当前机器人产业既面临空前的发展机遇，又面临严峻的挑战。在世界范围内，机器人产业尚无统一的体系结构，缺乏相应的基础标准体系与接口协议规范，研发工作存在大量低水平的重复，不能实现各种功能构件的重用与互换，没有形成专业化配套与产业链分工，致使制造成本高昂，严重制约了机器人产业的形成和发展。因此，需要对机器人模块化体系结构框架设计的关键技术进行研究，包括机器人模块化体系框架设计，机器人模块化设计过程仿真系统设计，典型机器人功能构件示范研究。下面主要探讨机器人控制系统功能构件的模块化设计结构框架。
1机器人控制系统的模块化设计
机器人控制系统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。
由于机器人控制系统必须以机器人机构为依托，其各机构单元中所含的控制器模块应具有相对的独立性，能实现机构模块所设定的控制功能，因此在每个机构模块中都应该有一个具有一定控制能力的控制器，各模块之间应采用总线式的分布式结构，组成多CPU控制系统。这样，以机器人机构的模块化划分为依据，机器人控制系统就被顺利成章地划分成了实现不同功能的大模块，即控制子系统。而在每个控制子系统功能模块内部，又可以根据各单元的功能情况进一步划分为控制器、传感器、驱动器、人机交互模块等多个功能子模块。这些子模块通过内部通讯总线进行信息交互，实现该控制子系统的设定功能。这样，模块化机器人控制系统就可以用图1所示来描述，虚线所示为各控制子系统，其内部由多个子模块构成，它们通过内部总线互相通讯，而各控制子系统之间通过系统总线进行协调控制。各功能子模块的功能划分和结构组成为：
1）控制器模块：包括主控制器模块和协控制器模块两种，共同构成子系统的控制核心。其中主控制器模块是该控制子系统的主要核心，由主控制器CPU（一般使用单片机、ARM、DSP处理器）及其外围系统组成，由主控制器模块对传感器信息、人机交互输入进行检测和分析，并根据其设定的具体功能任务和内嵌的控制算法，对驱动器和人机交互输出进行相应控制操作，实现整个子系统的控制功能。协控制器的功能描述和处理参数由主控制器在初始化时根据具体的机器人构成和功能需求通过内部总线设定。在一个控制子系统中，应只有一个主控制器模块，而协控制器的个数可根据机构模块的具体功能选定，可以采用多个协控制器，也可以无协控制器。
2）传感器模块：包括非音视频传感器模块和音视频传感器模块两种，其中非音视频传感器是指常规的开关量或模拟量传感器节点或阵列，如红外传感器、超声传感器等，这种传感器的信息量小，其结构也相对简单，该模块由CPU处理器、采集电路、传感器节点或阵列构成，CPU通过采集电路对传感器进行数据采集，获取其所处环境的状态或参数量值，并进行滤波处理，经内部通讯总线将结果传输给主控制器进行决策。音视频传感器的信息量较大，其处理需要高运算速度的处理器，而在机器人系统中由于音视频传感器的数目不会太多，且机器人自身的尺寸不会太大，在一个机构模块内音视频传输不需要太远距离，因此没有必要为每个音视频传感器设计都复杂的处理电路，音视频传感器模块只需要由符合内部总线要求的接口板和音视频传感器组成即可，传感器内容处理部分由协处理器模块完成。
3）驱动器模块：是驱动执行器实现运动指令的装置，主要用来驱动电机或液压/气压阀，根据其驱动对象的不同分为直流电机伺服驱动模块、交流电机伺服驱动模块、步进电机伺服驱动模块、无刷电机伺服驱动模块、阀门开度伺服驱动模块。在驱动器模块中，为了实现伺服控制功能，形成相对独立的驱动执行单元，应该有码盘接口或光栅尺接口，实时获取各关节的位置速度信息，利用设定的PID参数自动构成电流环、速度环、位置环，根据控制器设定的工作模式实现对驱动设备的伺服控制。驱动器模块由CPU处理器、码盘接口、驱动电路构成，内部嵌入PID控制算法和速度控制、位置控制等多种伺服控制模式。
4）人机交互模块：包括输入模块和输出模块，主要实现控制操作命令的输入、控制信息显示、图像内容显示、声音内容输出等。输入模块主要是键盘、操作手柄、触摸屏等设备的处理部分，而对于语音信息输入设备则作为传感器模块处理。由CPU实时采集输入设备的输入状态和输入值，经过去抖或滤波处理后形成输入信息，通过通讯总线传输给主控制器进行处理。输出模块主要是显示屏、指示灯、音箱等输出设备，主控制器可以通过内部总线将输出内容传递给输出模块CPU，经数据解析、信号放大驱动后由相应设备输出。
5）电源管理模块：是对整个机器人系统供电电源的电量和供电质量进行监测维护的模块，它对于移动式机器人非常必要。一般来讲机器人系统采用集中供电的方式，即所有机构模块的电气设备都通过电源引线最后由同一个电源供电，这样电源部分的性能，对于整个机器人系统而言，特别是以电池供电的系统，具有极其重要的作用，需要对其电量进行实时检测。由CPU处理器采集电源的电压、电流信号，对电源短路情况进行保护处理，对电压不足情况通过系统通讯总线及时通知各子系统主控制器和管理主机采取相应的措施，避免因电量不足而造成系统失控。
6）网络通讯模块：是用来实现机器人系统资源共享和多机器人协作的局域网或Internet通讯单元，该模块实际上是系统通讯总线和网络通讯设备之间通讯接口，主要实现通讯协议的转换。根据通讯方式可以分为有线和无线两种网络通讯模块，有线网络通讯模块采用以太网接口通讯，无线网络通讯方式采用无线网卡通讯。由通讯模块的CPU接收从系统总线上来的数据，经过解包处理后，再通过网络接口发送出去，实现系统总线与其他网络设备之间的数据通讯。
在图1所示的模块化机器人控制系统中，存在两层通讯总线，第一层总线是各个子系统之间的系统通讯总线，第二层总线是子系统内部的各子模块内的系统内部通讯总线。这就需要主控制器和协控制器具有两级通讯接口，分别与第一层总线和第二层总线相接。为了增强模块的通用性和一致性，两级通讯总线宜采用相同的物理总线标准。
2结束语
本文提出了基于模块化思想的机器人控制系统设计方法。把控制系统的硬件部分和软件部分按功能分解成一系列标准模块，将标准模块按照实际需要的设计结构进行组合，即可实现机器人控制系统的设计。模块化方法能有效降低机器人控制系统设计的复杂性，提高控制系统设计效率。
作者简介：
胡伟健（1990-），男，内蒙古包头人，大学本科，研究方向：软件工程；李灵芳（1991-），女，云南红河人，大学本科，研究方向：软件工程；范冉波（1991-），男，江苏南通人，大学本科，研究方向：软件工程；何东（1990-），男，新疆和静人，大学本科，研究方向：软件工程。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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