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1、1/4工业机器人的体系结构摘要：工业机器人体系结构的研究是机器人系统设计方法的逻辑基础与结构模型。本文介绍了机器人体系结构的三种形式：分层递阶结构、包容式结构和分布式结构，详细分析了每一种结构体系。关键词：工业机器人控制系统体系结构1 引言工业机器人的体系结构，不仅包括物理上的逻辑布局，即如何集成传感器、执行器等部件，还包括机器人系统所涉及的软件组织结构、计算结构等。因此，体系结构的研究是机器人系统设计方法的逻辑基础与结构模型。机器人体系结构主要是研究机器人系统结构中各个模块之间的相互关系和功能分配。对于一个具体的机器人而言，其体系结构可以说是这个机器人信息处理和控制系统的总体结构。随着计算机
2、技术、传感器技术和多信息融合技术的发展，工业机器人的“智能”水平越来越高，其体系结构的研究也可以借鉴智能机器人的研究成果。2 机器人体系结构的典型形式目前，有关机器人体系结构的研究主要集中在两类系统上，一是基于性能或反应式的系统，其特点是紧祸合、最小化计算和任务的性能分解；另一种是异步、同步控制和数据流混合系统，异步处理的特点是松祸合和基于事件驱动，同步处理的特点是紧藕合、严格的实时性。综合智能机器人体系结构研究成果和工业机器人控制系统特点，提出三种主要的工业机器人体系结构：分层递阶结构、包容式结构和分布式结构。2.1 分层阶梯结构分层递阶结构，又称水平结构或基于知识的体系结构，它是将系统的各
3、种模块分为若干层次，使不同层次上的模块具有不同的工作性能和操作方。分层递阶结构的典型例子是NASREM 结构和 Saridis 提出的三层模型。NASREM 结构是由美国航天航空局(NASA)和美国国家标准局(NBS)提出的，如图1 所示。NASREM 是一种 TOP-DOWN 的控制结构，整个控制系统按功能分为若干层次(基本 6层，也可更多)，每个层次都包括任务分解、模型和传感器信息处理3 部分，形成了纵向三列，横向若干层递阶结构。不仅每个模块的定义和功能明确，同时每个模块与上下、左右的通讯内容及方式都有明确的定义。Saridis 的三层模型是将整个结构分为：组织级，协调级和执行级。其中，组
4、织级是系统的“头脑”；协调级是上层和下层的智能接口，以人工智能和运筹学实现对下一层的协调，确定执行的序列和条件；执行级是以控制理论为基础，实现高精度的控制要求，执行确定的运动。该模型是一个概念模型，即从功能的角度分为三层，实际的物理结构可以多于或少于三级。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -2/4图 1 NASREM分层体系结构图为了实现对智能焊接机器人的各功能子系统的有效管理和协调，华中理工大学设计了智能焊接机器人系统，采用了分层递阶结构，如图2 所示。图 2 智能焊接机器人系统的分层递阶体系结构该智能焊接机器人系统具有4 个层次结构：执行层、管理层、协调
5、层和监控层。这种智能分层结构的焊接机器人系统对于分解人工焊接时观察、决策与操作行为，如焊接环境识别、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -3/4焊接任务规划、初始焊接位置的寻找、焊缝的跟踪和识别，以及各个功能子块的性能协调和信息综合是较为合适的。在不同的智能焊接机器人系统实现中，根据设计和分析者的观点，可能有不同的分层差别或称谓，但采用分层递阶的设计思想是一致的。分层递阶结构的每一层适用于解决该层上的简单、抽象化的问题，这使得高层次更加独立于实际的硬件，并对相邻层次提供有效接口。分层递阶结构具有良好的规划推理能力，通过自上而下任务逐层分解，模块工作范围逐层缩小
6、，问题求解精度逐层增高，实现了从抽象到具体、从定性到定量、从人工智能推理方法发展到数值算法的过渡，较好的处理了智能和控制精度的关系。2.2 包容式结构包容结构，又称垂直结构或基于行为的体系结构。它是依据行为能力划分成在功能上逐层迭加的层次结构，每个层次都根据自身的目标处理相应的信息，并给出相应的控制命令，如图 3 所示。尽管高层次会对低层次施加影响，但低层次本身具有独立控制机器人运动的功能，而不必等待高层次完成处理。包容结构是一种BOTTOM-UP的构建方法，它用行为封装了机器人控制中应具备的感知、探索、规划和执行任务等能力。图 3 基于行为的并行结构示意图从物理结构上来说，系统中存在着多个并
7、行控制回路，这些回路构成各种基本行为，传感数据根据需求以一种并行的方式给出，各种行为通过协调配合后作用于驱动装置，产生有目的的动作。由于许多行为仅设计为完成一个简单的特殊任务，所占内存不大，因此基于行为的体系结构方法可以产生快速的响应。由于该体系结构的每一层次负责系统要执行的一个行为，而每一行为都包含一个从感知到动作的完整路径，执行方式可以完全并行，即使某一层次模块出现故障，其它层次仍能使机器人产生有意义的动作。所以，基于行为的结构大大改善了系统的鲁棒性与灵活性。但是这种结构在实施中的难点是：需要设计一个协调机制来解决各个控制回路对同一驱动装置争夺控制的冲突，更重要的是各种行为必须相互协调以获
8、得有意义的结果。2.3 分布式结构Piaggio 提出了一种称为HEIR（Hybrid expertsin intelligent robots)的非层次结构。系统由处理不同类型知识的3 个组件组成：符号组件、图解组件和反应组件，每个组件是由多个具有特定认知功能的、可并发执行的Agent 构成的专家组。各个组件之间没有层次高低之分，可以自主、并发地工作，通过消息交换进行协调。分布式结构突破了以往的层次框架，该结构中的Agent 具有极大的自主性和良好的交互性，使得机器人系统的智能、行为、信息和控制的分布具有极大的灵活性和并行性。但是，由于Agent 对于任务有不全面的信息或能力，导致系统缺乏宏
9、观的求解观念，难名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -4/4以保证 Agent 成员之间对系统行为的一致性，同时，共享的数据和资源需要有效的分配和管理，。在工业机器人领域中，体系结构的研究主要是以分层递阶结构为主。事实上，现在提出的开放式机器人体系结构大多数是分层递阶结构。研究表明分层递阶结构比较适合一个典型的以弧焊机器人为中心的焊接柔性制造系统结构，而分布式结构更多适用于多机器人群体。3 总结机器人体系结构的设计是工业机器人系统设计的第一步，也是最关键的一步。在工业机器人领域中，体系结构的研究主要是以分层递阶结构为主。随着计算机技术、传感器技术和多信息融合技术的发展，工业机器人的“智能”水平越来越高，其体系结构的研究也可以借鉴智能机器人的研究成果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -
