如何搭建一个机器人控制系统

编程知识更新时间:2023-04-24 01:02:55

前言

这里着重从科研的角度来讲一下机器人系统该如何搭建，适合机器人专业、机器人爱好者参考。

机器人种类繁多，这里的机器人系统着重针对足式机器人、仿生机器人、外骨骼机器人、关节型机器人等伺服机构偏多、控制精度要求较高、市面上又无现成商品化控制系统硬件的机器人系统。无人机、无人车领域建议去专业论坛求索，本文仅供参考。

机器人控制系统更新迭代较快，这里给出2019年世界主流控制系统设计理念，具体参考了ICRA2019，世界著名实验室等资料。

本文不具体给出技术细节，只给出设计理念、产品型号选择范畴等，因为具体的设计是要根据具体的机器人来定的。传感器、手控器等外设本文也不涉及。

本文着重设计理念理解，帮助工程实用，大白话讲述，不甚严谨，批判家手下留情。

系统设计

整个机器人控制系统涉及三个方面：控制系统硬件、控制系统软件、控制系统通信。

控制系统硬件即控制算法的实现平台，例如单片机、PC机、工控机等。

控制系统软件就是控制算法在哪个IDE（集成开发环境）下编写，编写的程序在哪个操作系统（单片机可以没有操作系统）下运行。

控制系统通信是控制板卡和其他各个部件的信息传输，如传感器的数据需要传给控制器，控制器的指令需要传给执行器等。

上述三个方面的关系是，算法程序在软件里写，写完之后在硬件里跑，跑的过程中算法需要的数据由通信来给，指令也由通信下达给执行器。

2.1 控制系统硬件

控制系统硬件包括两大类：嵌入式微处理器、嵌入式计算机。

嵌入式微处理器包括单片机、ARM、DSP、FPGA等；嵌入式计算机包括微型电脑、工控机、PC104小板机等。需要注意的是，这里二者的界限并不是那么明显，比如工控机所用的CPU也可能是ARM构架的，但目前市面上更多的是intel和AMD公司生产的x86构架的CPU（我们的个人电脑，笔记本里的什么酷睿i5、i7CPU都是基于x86构架的）。

嵌入式微处理器硬件很好买，而且也便宜，如果自己不会画板子的话，直接买现成的开发板应该能够满足需求。

微型电脑其实和我们的个人电脑差不多，只不过尺寸更小，便于安装到机器人上，像intel的nuc就比较火。淘宝上可以很方便的采购微型电脑（微型主机/迷你主机）。

工控机就是工业控制计算机，其实和我们的个人电脑也差不多，只不过用在工业上需要抗摔、防尘、以年为单位连轴转尽量不关机、可靠性更高。国外的工控机如倍福，好但贵。国内的工控机研华的也不错。

PC104小板机可以当作是一个工控机，它采用的是PC/104总线结构，芯片一般也是x86的芯片。优点是需要扩展的话直接叠罗汉式插板就行。

其实控制系统硬件很好理解，只要具备计算能力就可以。也就是说，如果是拖线式控制机器人的话，用自己的电脑也可以胜任，但个人电脑主要用来看剧玩游戏，毕竟不是很对口，而且还得把win10系统换掉才行（坚持用win10的话需要一些额外操作）。

目前主流都是用嵌入式计算机（Embeded Computer）中的微型电脑+嵌入式微处理器（Embedded MicroController），微型电脑负责主控，嵌入式微处理器负责底下的小模块。如果机器人系统比较小，直接用嵌入式微处理器也可以。如果有视觉处理需求，可以额外再加一个微型电脑，如英伟达的TX2.

2.2 控制系统软件

2.2.1 控制系统实时操作系统（RTOS，Real Time Operation System）

实时操作系统能够保证控制系统严格按周期进行运行，前言中所涉及的机器人需要有较高的实时性要求，主控制程序1kHz起步，所以这里讲述的RTOS的实时性也是毫秒级别的。我们用的win7，win10，linux都不是RTOS（淘宝上很多工控机预装的是win7的系统，那个的实时性满足不了上述机器人的要求，它们主要是用来做过程控制、监控设备、人机交互用的，比如可以用在取款机上，取款机的响应速度体验起来感觉是秒级的，还有的用在KTV点歌机上，点歌不会要求毫秒级的响应速度的）。

一般嵌入式微处理器可以不用安装操作系统，直接裸机跑。如果要装的话可以用ucos、freertos等。

微型电脑上可安装的RTOS有WinCE、VxWorks、QNX、嵌入式Linux等，不建议装winxp、win7、win10系统，如果实在想在这些系统下控制机器人，我所知道的有两个方法，但没去考证可行性：一是CPU如果是多核的话，锁住一个核专门用作实时控制；二是通过接口再拓展如FPGA等板子，专门用作实时控制。随着现在ROS的流行，越来越多的团队直接装的是非实时的Ubuntu Linux系统，外加硬实时补丁CONFIG_PREEMPT_RT patch，这样也可以，而且看样子是趋势。

一些工控机、小板机的RTOS大体和微型电脑上的类似，不再赘述。

2.2.2 控制系统集成开发环境IDE（Integrated Development Environment）

一般IDE是安装到我们的工作计算机/笔记本上的，写好程序，编译好，然后再下载到控制硬件（嵌入式微处理器、嵌入式电脑）里，这样用着方便。也有的直接在RTOS下的IDE中直接编写程序。

嵌入式微处理器的IDE有Keil、IAR等，选择自己顺手的即可。

嵌入式电脑的IDE就多了，如windows下的（这里的windows系统是个人工作电脑上的系统，不是控制硬件上的RTOS）VS、QT、QNX之类，Linux下ROS亦可。

通信：现场总线和工业实时以太网

主控器有了，机器人系统中还有各种传感器、执行器、监控器等，它们的信息需要相互传输，而且一些实时运行的实验数据也需要保存下来。

现在主流的通信方式有两种，一种是基于CAN总线（可选用CANOpen协议），另一种是基于工业实时以太网的Ether CAT协议，二者的物理接口不一样，CAN总线的接口有的是两根线（凤尾插头那种），有的用DB9接口。Ether CAT接口就是我们常用的RJ45网口，注意Ether CAT的主站，也就是主控器的接口和我们平时用的网口一样，它们是兼容的，但是从站，即传感器、执行器这边，接口也是一样的网口，但是从站接口硬件需要支持Ether CAT协议（需要多加一个芯片）。