超冗余机器人控制技术发展现状与展望_李佳轩.pdf

基金项目：广东省重大科技专项（编号：2020ST004）；佛山市科技创新团队专项资助项目（编号：2018IT100052）收稿日期：20220510超冗余机器人控制技术发展现状与展望*李佳轩1，田溢汕1，余洁2，卢新建2，赵永杰1（1.汕头大学 工学院，广东汕头515063；2.广东省智行机器人科技有限公司，广东佛山528000）摘要：超冗余机器人由于大量自由度和复杂的结构使其具有远超传统机器人的灵活性，但也使它的控制系统的设计变得繁复而困难。随着超冗余机器人在各领域中广泛投入应用，对超冗余机器人控制技术的发展现状予以总结和讨论显得更为必要。因此对超冗余机器人控制系统的架构及控制算法的研究现状进行了总结。首先，依次介绍超冗余机器人控制系统的硬件部分和软件部分，分析其基本架构与主要功能模块，并探讨开放式控制系统的设计方法。随后，简要介绍了超冗余机器人控制算法方面研究面临的主要难点，列举并简述当前用于超冗余机器人控制的常用算法，并对各自的效果进行分析。最后，对超冗余机器人控制系统的未来进行展望，提出超冗余机器人控制技术的发展方向，主要是数学模型建立方法的改进、开放式软硬件控制系统的开发和控制算法的创新等。关键词：超冗余机器人；控制系统；开放式控制；模块化设计；控制算法中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02000105Development Status and Prospect of Hyper-Redundant Robot Control TechnologyLi Jiaxuan1，Tian Yishan1，Yu Jie2，Lu Xinjian2，Zhao Yongjie1（1.College of Engineering,Shantou University,Shantou,Guangdong 515063,China;2.Guangdong Zhixing Robot Technology Co.,Ltd.,Foshan,Guangdong 528000,China）Abstract:The large number of degrees of freedom and complex structure of hyper-redundant robot make it much more flexible than traditionalrobot,but also make the design of its control system more complicated and difficult.As hyper-redundant robot is taken into widespreadapplication in various fields,to summarize and discuss the development status of hyper-redundant robot control technology is even morenecessary.The research status of hyper-redundant robot control system architecture and control algorithm was summarized.First,the hardwarepart and software part of hyper-redundant robot control system were introduced,their basic structure and main functional modules wereanalyzed,and the design method of open control system was discussed.Then,the main difficulties in the research of control algorithm forhyper-redundant robots were briefly introduced,the currently used hyper-redundant robot control algorithms were outlined,and their effectswere analyzed.At last,the future development direction of the hyper-redundant robot control system was prospected,which was proposed to beon the improvement of mathematical model building method,development of open hardware and software control system and innovation of itscontrol algorithm.Key words:hyper-redundant robot;control system;open control;modular design;control algorithm2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.001李佳轩，田溢汕，余洁，等.超冗余机器人控制技术发展现状与展望 J.机电工程技术，2023，52（02）：1-5.0引言随着世界经济和工业科技的不断发展，机器人的应用领域日益广泛，各式各样的机器人在人们的生产生活中发挥着重大的作用。传统机器人是结构简单、运动形式单一的刚性机器人，其承载能力较强，维护比较方便，一直沿用至今，并且在一些特定场合的应用不可替代1。但在一些复杂的工作环境下，传统机器人的刚性结构和有限的自由度限制了其运动的灵活性和复杂性，难以顺利完成任务，因此学界将目光转向超冗余机器人，以应对机器人在特殊工作环境下的应用需求。超冗余机器人是指自由度数远远多于完成作业任务所需最少自由度的机器人2。目前研究较为成熟的传统机器人通常仅有6个自由度，对于工作空间中的每一个位姿仅有一个对应的位置逆解，对狭窄、多障碍空间的适应性较差，而超冗余机器人的自由度可达10个以上，对于同一个目标位姿可能拥有无穷多个位置逆解，这使它具有远超传统机器人的环境适应性和避障能力，能够在狭小、非结构化的环境中执行复杂的任务。迄今为止，超冗余机器人已在航天航空3、医疗4、核电5等高科技产业中投入使用，在复杂环境中的探测、搜救6等工作中更表现出了远超传统机器人的优势。随着相关研究的推进，可以预见超冗余机器人还会有更广阔的应用前景。但超冗余机器人的大量自由度也决定了它是一个高度耦合的多输入多输出非线性系统，不仅无法求得唯一的位 12023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期置逆解，要建立精确的动力学模型也十分困难，用传统控制方法难以实现精准控制，其控制系统结构也更为复杂，这使得超冗余机器人控制系统的搭建和控制算法的设计尤为重要。本文对超冗余机器人控制系统的研究现状进行总结。首先，介绍超冗余机器人控制系统的硬件部分和软件部分的结构及功能；随后，列举并简要分析当前用于超冗余机器人控制的常用算法；最后，对超冗余机器人控制系统的未来发展方向进行展望。1超冗余机器人控制系统架构1.1控制系统硬件机器人控制系统主要由主控单元、执行机构与检测单元3部分组成。主控单元是整个系统的核心，主要负责对机器人进行建模计算、运动规划、轨迹插补等，并和用户进行交互，获取用户的输入参数，将计算结果和机器人的状态反馈给用户。执行机构是直接对机器人运动驱动的机构，主要由运动控制单元和伺服电机等驱动器组成。检测单元则是机器人内部或外部安装的各种传感器。在超冗余机器人的控制中，每次的轨迹插补运算后，还需要进行运动学逆解变换得到驱动关节的位置输入变量，而超冗余机器人的运动学逆解算法复杂，求解时间较长，对系统的运算能力有很高的要求。同时伺服驱动的控制周期通常只有数十微秒，周期内需要完成如PID演算、二次插补等工作，这要求系统具有相应的实时处理能力，加上超冗余机器人的驱动单元数量远多于传统机器人，这些都决定了超冗余机器人的实时控制需要极大的计算量，单一主控机难以完成所有计算任务。因此，超冗余机器人的控制系统通常采用开放式、模块化的设计方法来构建，以多个控制器作为上位机、下位机，各自执行一部分控制功能，控制众多驱动单元运动。超冗余机器人开放式控制系统硬件架构框图如图1所示。根据IEEE的定义7，开放式控制系统应当能够运行于多种平台上，并且能够与其他系统实现通信交互，具有风格一致的人机交互界面。开放式控制系统主要具有可移植性、可互换性、可伸缩性、互操作性 4个优点。PC系统丰富的软硬件资源、友好的人机交互界面和成熟的计算机编程技术，使得基于PC的软硬件平台成为了机器人开放式控制系统的首选8。以通用PC为主控机的开放式控制系统可兼容C、C+、VB以及C#等多种编程语言，并可选用通用运动控制器，在一套共同的标准平台下简便地进行控制系统的开发、移植和改良。模块化的设计方法将控制任务分配给下位机或运动控制卡，由一个或多个下位机对超冗余机器人的众多驱动单元进行控制，再由上位机进行总体调度，从而弥补单PC在运算能力方面的不足。开放式控制系统的模块化设计允许用户根据自身需求选择合适的功能模块进行系统的集成和扩展，进一步提高了系统的灵活性和易用性。根据下位机的种类不同，超冗余机器人的开放式控制系统可进一步分为PC+PC、PC+分布式控制器、PC+多轴运动控制卡等多种控制模式9。PC虽然具有通用性强、开发环境良好、操作界面简单直观等作为上位机的优势，但它不是实时性操作系统，不适合在对实时性要求较高的控制任务中担当下位机的职责，而运动控制卡具有实时性好、伺服控制能力优秀的长处，能够和PC实现很好的优势互补，因此PC+多轴运动控制卡的控制模式逐渐成为超冗余机器人开放式控制系统的主流选择10。1.2控制系统软件控制系统软件是控制系统与用户之间的桥梁，用户通过控制软件界面发送各种指令控制机器人满足一定的功能需求。超冗余机器人的控制软件系统结构复杂，对控制软件的设计方法提出了更高的要求。要建立一个简洁、实用性强的控制软件系统需要遵循模块化和层次化的设计原则。模块化的设计原则即根据控制软件的不同功能需求将软件划分为不同的功能模块，每个模块既相对独立，又可以互相组合以实现更为复杂的功能。遵循这样的设计原则，不仅便于软件系统的开发和升级，而且方便开发人员对软件的故障诊断排查。而层次化的设计原则要求将软件不同的功能模块划分为职能各异的层次，每个职能层中的各个功能模块相互结合，在控制系统中担任不同的任务。对于软件结构复杂的系统，该设计准则方便开发人员在开发过程中对整个软件有一个清晰的认识，便于开发人员之间的分工合作。根据不同的职能，超冗余机器人软件系统可以自上而下分为4个层次：应用层、功能层、执行层和驱动层，每个层次包含着多个功能模块11。各层次的关系和功能模块分布如图2所示。超冗余机器人控制软件各层次及模块的具体功能如下。（1）应用层。包括面向用户的功能及对整个控制系图1超冗余机器人开放式控制系统硬件架构 2李佳轩，田溢汕，余洁，等：超冗余机器人控制技术发展现状与展望统进行管理和调度的功能。该层主要包含的功能模块有人机交互界面模块、任务管理模块、系统参数管理模块和运动状态监控模块。人机交互界面模块便于用户输入和监控各项参数，以便对机器人进行控制和维护。任务管理模块为用户指定机器人任务提供接口。系统参数管理模块可对机器人的结构参数、运动控制参数等参数进行系统管理。状态监控模块能够帮助用户了解机器人的实时运动状态以及伺服驱动器状态。（2）功能层。主要实现