本文來(lái)自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/李彎彎。
人形機(jī)器人控制器是人形機(jī)器人中的核心神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)致規(guī)劃和控制，是機(jī)器人性能的決定性因素之一。
控制器通過(guò)軟件和硬件的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。當(dāng)控制器接收到來(lái)自傳感器等部件的信號(hào)時(shí)，它會(huì)通過(guò)軟件部分的算法庫(kù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)硬件部分的工業(yè)控制板卡等部件發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接收到指令后，會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種功能。
人形機(jī)器人控制器作用及特性
對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，控制器的作用是什么？首先是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制，控制器能夠?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃和控制，確保機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。它能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人操作空間坐標(biāo)與關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換，完成高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算及伺服運(yùn)動(dòng)控制，以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度。
其次是動(dòng)作指令發(fā)布和傳遞，作為機(jī)器人動(dòng)作指令的發(fā)布和傳遞中心，控制器能夠?qū)⒉僮髡叩闹噶顐鬟_(dá)給機(jī)器人，并確保機(jī)器人按照指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。
接著是數(shù)據(jù)處理和傳輸，控制器可以對(duì)傳感器等部件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，減少機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望目標(biāo)之間的偏差，保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。
控制器有著高實(shí)時(shí)性、高精度、模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。高實(shí)時(shí)性：人形機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求極高，控制器需要能夠快速響應(yīng)并處理各種指令和數(shù)據(jù)，以保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。
高精度：控制器通過(guò)復(fù)雜的算法和精確的傳感器數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制，減少運(yùn)動(dòng)軌跡與期望目標(biāo)之間的偏差。
模塊化結(jié)構(gòu)：由于人形機(jī)器人技術(shù)方案尚未定型，技術(shù)快速迭代，控制器適合采用模塊化結(jié)構(gòu)，從而便于更換組件，簡(jiǎn)化創(chuàng)建不同控制器組合的過(guò)程。
人形機(jī)器人控制器的組成及芯片
從組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，人形機(jī)器人控制器分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括工業(yè)控制板卡等核心部件，這些部件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。硬件的核心在于芯片，它決定了控制器的性能和穩(wěn)定性?？刂破魍ㄟ^(guò)接收來(lái)自傳感器等部件的信號(hào)，經(jīng)過(guò)芯片的處理后，再發(fā)出指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制。
控制器的軟件部分則包含了操作系統(tǒng)和算法庫(kù)等關(guān)鍵要素，這些是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化、自主化運(yùn)動(dòng)的核心技術(shù)。
操作系統(tǒng)是控制器軟件部分的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)管理控制器的硬件資源，為上層應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。在人形機(jī)器人中，操作系統(tǒng)需要支持實(shí)時(shí)性高、任務(wù)調(diào)度靈活等特點(diǎn)，以滿足機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的嚴(yán)格要求。
算法庫(kù)是控制器軟件部分的核心，它包含了多種用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的算法，如運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法、動(dòng)力學(xué)控制算法、路徑規(guī)劃算法等。這些算法通過(guò)處理傳感器等部件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，規(guī)劃出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
底層算法庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法負(fù)責(zé)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。它通過(guò)計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度和速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從初始位置到目標(biāo)位置的平滑過(guò)渡。
應(yīng)用工藝算法則針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，如抓取算法、行走算法等。這些算法通過(guò)結(jié)合機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的高效作業(yè)。
就如上文所言，人形機(jī)器人控制器硬件的核心在于芯片，其芯片包括多種類型。其中，MCU是人形機(jī)器人中常見的芯片之一，它們集成了CPU、內(nèi)存、I/O接口等模塊，具有體積小、功耗低、成本適中等優(yōu)點(diǎn)。MCU主要負(fù)責(zé)處理基礎(chǔ)的控制邏輯和傳感器信號(hào)，執(zhí)行簡(jiǎn)單的控制算法。不同品牌和型號(hào)的MCU眾多，如STM32、PIC、AVR等，它們?cè)谌诵螜C(jī)器人控制器中均有應(yīng)用。
DSP是一種專門用于數(shù)字信號(hào)處理的芯片，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。在人形機(jī)器人中，DSP可以用于處理復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法、圖像處理算法等，如實(shí)時(shí)圖像處理、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。DSP的高性能計(jì)算能力使其在處理大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，AI芯片在人形機(jī)器人中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些芯片專門設(shè)計(jì)用于執(zhí)行人工智能算法，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。AI芯片可以處理機(jī)器人的語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等任務(wù)，提升機(jī)器人的人機(jī)交互能力和智能水平。
ASIC是一種為特定應(yīng)用而定制的芯片，具有高性能、低功耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。在人形機(jī)器人中，ASIC可以用于實(shí)現(xiàn)特定的控制算法或功能模塊，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、傳感器信號(hào)處理等。ASIC的定制化設(shè)計(jì)使其能夠針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，提升整體性能和效率。除此之外，人形機(jī)器人控制器中還涉及其他類型的芯片，如FPGA、GPU等。
寫在最后
隨著AI技術(shù)的加速迭代和人形機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，控制器作為人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。同時(shí)，隨著隨著人形機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，其芯片也在不斷進(jìn)步和演進(jìn)，未來(lái)人形機(jī)器人控制器芯片也將會(huì)朝著高性能、低功耗、多功能集成、安全性增強(qiáng)等方向發(fā)展。
