含有容錯(cuò)策略的球形機(jī)械人控制機(jī)構(gòu)研究

孫瑞彤

摘 要：立足于容錯(cuò)功能對具備高穩(wěn)定性的一款球狀機(jī)器人操控體系展開研究。依照球狀機(jī)器人自行活動的功能需求把操控問題劃分成八個(gè)分體控制裝置，且基于分體操控裝置的結(jié)構(gòu)分析以及多功能傳感裝置的球狀機(jī)器人嵌入型控制體系。此類分體操控裝置彼此之間蘊(yùn)含著通訊及訊息交互傳遞的功能，在職責(zé)分擔(dān)及協(xié)作配合上具備自立性。依托在時(shí)間上包容過錯(cuò)及訊息傳遞上包容過錯(cuò)的工藝設(shè)計(jì)以及球狀機(jī)器人的控制軟件體系，來編制出監(jiān)控型軟件以便監(jiān)視軟件組織的運(yùn)行態(tài)勢變化。

關(guān)鍵詞：球狀機(jī)器人；操控體系；容錯(cuò)功能；控制機(jī)構(gòu)

自從著名工程專家HALMEA等人在一九九六年率先研發(fā)出球狀機(jī)器人之后，其行為操控體系始終被看作球狀機(jī)器人開發(fā)范疇內(nèi)的重點(diǎn)性問題。球狀機(jī)器人動作機(jī)構(gòu)的特異性能及操控手段的繁瑣性促使現(xiàn)階段的研究過程重點(diǎn)關(guān)注于對其的動力學(xué)性質(zhì)研究及模型構(gòu)建，另外還有針對相關(guān)運(yùn)動過程操控及規(guī)劃程序的設(shè)計(jì)工作等項(xiàng)內(nèi)容上，而在盡力編制穩(wěn)妥的、把握的操控機(jī)構(gòu)以減少裝置運(yùn)作過程中的事故發(fā)生率等方面的研究過程卻是很少。容錯(cuò)操控體系可以大幅度地提升運(yùn)作裝置的穩(wěn)固性及把握性。依托構(gòu)建退化過程條件數(shù)目及容錯(cuò)過程影響系數(shù)等性能參數(shù)來擬定并使冗余型機(jī)器人具被最高容錯(cuò)控制性能的編制數(shù)據(jù)。

1 球狀機(jī)器人操控機(jī)構(gòu)的擬定和分析

直到現(xiàn)在，自行性機(jī)器人的操控機(jī)制重點(diǎn)包括3類經(jīng)典的構(gòu)成：依托效能分擔(dān)及多層遞級的控制構(gòu)架、依托過程操控的響應(yīng)型操控機(jī)構(gòu)以及依托于程序規(guī)劃及響應(yīng)的混合型操控機(jī)構(gòu)。多層遞級型系統(tǒng)機(jī)構(gòu)操控其構(gòu)架層次明晰，完整地處置了機(jī)構(gòu)效能及操控精準(zhǔn)度的矛盾，然而其需要對所處環(huán)境條件實(shí)施整體方位的感悟及精準(zhǔn)的擬模過程。響應(yīng)型操控機(jī)構(gòu)中，其內(nèi)部的多個(gè)層次都具備單獨(dú)的環(huán)境性的感悟功能，對周邊環(huán)境具備極佳的魯棒性能及配合性能，然而其欠缺全方位的引導(dǎo)和配合。混合型操控機(jī)構(gòu)把對周邊環(huán)境的感悟、策略型操控及前期邏輯推理等效能模塊緊密地融合到一起，不但具備了多層構(gòu)架的整體性，又帶有了響應(yīng)型機(jī)構(gòu)的機(jī)動性。

1.1 球狀機(jī)器人操控體系的機(jī)構(gòu)編制手段

球狀機(jī)器人操控體系亦可將其叫做“復(fù)合式操控體系”，其是依托操控運(yùn)算方法及眾多小范圍操控構(gòu)件所構(gòu)成的。其中各個(gè)操控運(yùn)算方法均可被叫做單元操控器件，它們彼此之間蘊(yùn)含著高低層次及彼此默契配合的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中可以實(shí)現(xiàn)特型動作過程的單元操控器件組成了小范圍復(fù)合式操控機(jī)構(gòu)，而球狀機(jī)器人的曹控體系正是依托此類小范圍組合式操控裝置所組成的。小范圍復(fù)合式調(diào)控機(jī)構(gòu)彼此之間蘊(yùn)含著小范圍內(nèi)的緊密融合關(guān)系，具備彼此通訊及訊息交流互動的功能，在動作過程分擔(dān)及配合內(nèi)容上具備自行性能。給球狀機(jī)器人自行活動過程所編制的八個(gè)小范圍組合式操控器件的實(shí)際內(nèi)涵及效能為：

（1）移動型機(jī)器人操控機(jī)構(gòu)是總體操控體系內(nèi)最高等級的小范圍操控機(jī)構(gòu)，具備最高等級的優(yōu)先行為效能，其擔(dān)負(fù)著機(jī)器人訊息傳導(dǎo)部件的訊息測試、小范圍操控機(jī)構(gòu)的形態(tài)匹配、遠(yuǎn)距離操控指令的接領(lǐng)及機(jī)器人動作形態(tài)訊息的響應(yīng)等。

（2）電動馬達(dá)監(jiān)控機(jī)構(gòu)是電動設(shè)備應(yīng)侍操控各分體單元機(jī)構(gòu)中的監(jiān)管層單體操控裝置，可以依照實(shí)際所需行為過程密切監(jiān)控下層單體操控裝置的運(yùn)作狀況，且測試電動馬達(dá)的運(yùn)作形態(tài)。

1.2 球狀機(jī)器人操控體系的組成分析

依照給出的組成編制程序所研發(fā)的球狀機(jī)器人操控體系的重點(diǎn)涵蓋內(nèi)容包括：應(yīng)侍操控單元、電源控制單元、導(dǎo)向和訊息傳感結(jié)構(gòu)單元、通訊結(jié)構(gòu)單元、內(nèi)嵌型操控分體單元及遠(yuǎn)距離操控單元等。這里的應(yīng)侍驅(qū)動控制單元是由電動馬達(dá)、降速裝置及電動馬達(dá)驅(qū)動裝置組合而成；導(dǎo)向及訊息傳感操作單元是由慣性體檢測機(jī)構(gòu)、激光型距離測定裝置、視角型訊息傳感裝置及光電訊息程序編制裝置構(gòu)成。

2 球狀機(jī)器人操控體系的容錯(cuò)機(jī)制

球狀機(jī)器人的操控體系是屬于一種極為復(fù)雜型的電腦操控體系，其組成中的硬件組成及軟件組成的總量相當(dāng)大，所以其機(jī)構(gòu)發(fā)生故障的可能性亦極大。

2.1 冗余型兩備份應(yīng)侍操控分體單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在此給出了一款冗余兩備份的電動馬達(dá)應(yīng)侍操控分體單元。其兩臺電動馬達(dá)都是屬于無刷型直流式電動馬達(dá)，且設(shè)置了行星式降速裝置及光電編碼機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動控制器。伺服控制子系統(tǒng)采用兩套相同的驅(qū)動控制器在仲裁管理下共同控制一個(gè)電動機(jī)的運(yùn)行模式。

2.2 軟件系統(tǒng)的容錯(cuò)策略

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件主要采用了時(shí)間容錯(cuò)和信息容錯(cuò)的設(shè)計(jì)方法。時(shí)間容錯(cuò)方法是以犧牲時(shí)間來換取系統(tǒng)高可靠性的一種手段。信息容錯(cuò)是指為了檢測和糾正信息在運(yùn)算或傳輸過程中的錯(cuò)誤而外加了一部分冗余信息碼，使原來不相關(guān)的數(shù)據(jù)變?yōu)橄嚓P(guān)，并把這些冗余碼作為監(jiān)督碼與有關(guān)的信息一起傳遞，從而實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)。球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件采用兩類方式的時(shí)間容錯(cuò)方法，是通過重復(fù)執(zhí)行指令來檢測故障。

3 結(jié)語

針對球形機(jī)器人控制系統(tǒng)復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)特殊性，提出了球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并將控制問題分解為8個(gè)局部控制器。這些局部控制器的集合構(gòu)成了球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，而且局部子控制器相互之間具有通信和信息交互的能力，在任務(wù)分配和協(xié)作方面具有自主性。本文基于提出的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研制了球形機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)，論述了各個(gè)組成部分之間的相互關(guān)系。

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（作者單位：St.Thomas More School）