機(jī)器人實習(xí)課講義

　　
　　機(jī)器人實習(xí)課講義
　　一、機(jī)器人學(xué)涉及學(xué)科
　　機(jī)器人學(xué)主要涉及控制論、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科。主要涉及：1.人工智能；2.電子技術(shù)；3.傳感技術(shù)；4.機(jī)械技術(shù)；5.仿生機(jī)構(gòu)技術(shù)。
　　機(jī)器人作為一種擬人的自動機(jī)械裝置，就應(yīng)該像人一樣有手腳，而且應(yīng)該實現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走。因此，必須進(jìn)行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動導(dǎo)向、穩(wěn)定步行等仿生問題的研究。
　　機(jī)器人還涉及到其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)、心理學(xué)等其他學(xué)科�？傊瑱C(jī)器人學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，它的發(fā)展和進(jìn)步與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。
　　二、機(jī)器人的發(fā)展階段
　　根據(jù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平，可以將機(jī)器人分為以下三個發(fā)展階段：
　　1.第一代機(jī)器人
　　簡單可編程機(jī)器人，也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人。最大特點是能根據(jù)人們交給它的動作順序、運動路徑等工作內(nèi)容重復(fù)操作。如要更改作業(yè)內(nèi)容，只需重新示教編程。目前工業(yè)上使用的機(jī)器人絕大多數(shù)屬于此種。它只能擔(dān)負(fù)人類很少部分的工作，其操作部分主要是模擬人的上肢動作，其控制裝置只起到指揮操作器動作的作用，沒有感覺，不會思考，更不能識別外界環(huán)境。
　　2.第二代機(jī)器人
　　低級智能
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術(shù)發(fā)展的限制，使得全自主式智能機(jī)器人的發(fā)展目前難以成為現(xiàn)實，但是可以預(yù)見，不遠(yuǎn)的將來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和突破，具有敏銳、準(zhǔn)確感知能力，和學(xué)習(xí)推理、模糊識別和組織協(xié)調(diào)能力的功能強(qiáng)大的智能機(jī)器人，必將成為現(xiàn)實。
　　五、機(jī)器人控制器
　　作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一．它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展．目前，由于人工智能、計算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時也為機(jī)器人控制器的性能提出更高的要求。
　　對于不同類型的機(jī)器人，如有腿的步行機(jī)器人與關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計方案也不一樣．這里僅討論工業(yè)機(jī)器人控制器問題。
　　1、機(jī)器人控制器類型
　　（1）串行處理結(jié)構(gòu)
　　所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理．對于這種類型的控制器，從計算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，又可分為以下幾種。
　　（a）單cpu結(jié)構(gòu)、集中控制方式
　　（b）二級cpu結(jié)構(gòu)、主從式控制方式
　�。╟）多cpu結(jié)構(gòu)、分布式控制方式
　　控制器計算機(jī)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(jī)來計算機(jī)器人控制算法．它們存在一個共同的弱點：計算負(fù)擔(dān)重、實時性差．所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負(fù)擔(dān)．當(dāng)機(jī)器人在運行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運動中所要求的精度指標(biāo)．
　�。�2）并行處理結(jié)構(gòu)
　　并行處理技術(shù)是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機(jī)器人控制的實時性要求．關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實現(xiàn)．開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法，使之并行化，然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu)．一般有兩種方式，一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu)，根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計算模型，開發(fā)算法的并行性；二是首先開發(fā)算法的并行性，然后設(shè)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳并行效率．
　　構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器的計算機(jī)系統(tǒng)一般采用以下方式：
　�。╝）開發(fā)機(jī)器人控制專用vlsi
　�。╞）利用有并行處理能力的芯片式計算機(jī)
　�。╟）利用通用的微處理器
　　2、機(jī)器人控制器存在的問題
　　從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸pid控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求．雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層次上是開放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放．所采用的 “專用計算機(jī)(如puma機(jī)器人采用pdp-11作為上層主控計算機(jī))、專用機(jī)器人語言（如val）、專用微處理器并將控制算法固定在eprom中”結(jié)構(gòu)限制了它的可擴(kuò)展性和靈活性，因此說它的結(jié)構(gòu)是封閉的．
　　并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題．目前的并行處理控制器研究一般集中于機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來設(shè)計，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列出數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實現(xiàn)各子任務(wù)在對應(yīng)處理器上的并行處理．由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點，如程序設(shè)計不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象．
　　綜合起來，現(xiàn)有機(jī)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(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)．封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)．
　�。�2）軟件獨立性差
　　軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植．
　�。�3）容錯性差
　　由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓．
　�。�4）擴(kuò)展性差
　　目前，機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能．由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根 ……（未完，全文共4474字，當(dāng)前僅顯示2259字，請閱讀下面提示信息。收藏《機(jī)器人實習(xí)課講義》）