导读在自动化、机器人行业的同仁都知道，减速器、伺服电机、伺服驱动器、控制器作为机器人的四大关键零部件，是机器人性能与成本的主要决定因素。而控制器就像机器人的大脑，这是机器人最重要、最复杂的一个子系统。机器人控制器根据指令和传感器信息运行控制和决策算法，控制机械臂或其他执行机构完成一定的动作。控制器的好坏决定了机器人性能的优劣。
然而对于不同类型的机器人，如机械臂和移动机器人，控制功能和性能（如精度，控制周期）等不同，导致在控制器的软硬件设计上存在较大差别，控制器的架构设计也会存在不同的类型。
那么问题来了，如何才能提高控制器的通用性、开放性以及可拓展性呢，这将决定控制器的未来发展！
Part 1
目前机器人控制器的软硬件方案
不同的厂家、不同类型的机器人所采用的硬件架构和软件开发与运行环境都是不同的。
在硬件上，传统的机械臂控制器因为发展比较成熟，国内外各知名厂商如ABB、KUKA、固高等，大都采用X86芯片，芯片内加载实时操作系统如VxWorks、Windows RTX或RT Linux。而较新的移动机器人如AGV、无人机、无人驾驶车辆一般采用 PowerPC、Infineon、ARM Cortex等芯片，加载或不加载操作系统。
控制软件使用商用或开源的开发软件实现，种类更为繁多。商用付费开发软件如德国3S公司的CoDeSys、倍福的TwinCAT IDE、菲尼克斯PLCnext等。
开源控制软件如ROS、Orocos、OpenPLC、Beremiz等。设计语言有C、C++、Python等。控制软件设计完成之后，运行在专用的实时或非实时操作系统如VxWorks、QNX、Windows RTX、RT Linux等。
有些控制软件自带较为简单的调度程序如CoDeSys runtime，即使没有安装操作系统，也可完成简单的任务调度。
Part 2
现有机器人控制器存在的问题
综合起来，现有机器人控制器存在很多问题：
由于工控圈的封闭，各大厂具有自己的控制器软硬件设计框架。这就导致了用户被局限于"专用设计环境、专用操作系统、专用机器人语言、专用微处理器"的封闭式结构。开源系统如ROS等更是存在实时性差、可靠性低等原因，无法被大规模商用。
绝大多数的软件开发包括算法和驱动部分都需要开发人员进行大量手动编码，效率和错误率都比较高。一些商用软件在驱动配置上较为方便，但成本巨大，且应用层算法部分仍需要人工编码实现。软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。
由于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。
Part 3
对新型机器人控制器的要求
新型机器人控制器应有以下特色：
- 支持最新的开发流程，如基于模型的开发流程（Model Based Development， MBD）
这种流程采用统一的开发和测试平台: MATLAB/Simulink ，让产品开发从需求分析阶段就开始验证，并做到持续不断的验证和测试。
采用开放式软件，用户可以根据实际需要调用软件接口库，实现自定义开发或与第三方系统的连接。硬件上使用模块化、标准化设计，可以根据需要方便实现I/O扩充功能，使其适用不同类型机器人控制器的设计需求，不再受限于某一特定应用场景。
可以满足各种模拟量、数字量I/O接口以及各种机器人控制常用总线协议的连接。
随着自主运动机器人的发展，机器人控制器集成了如SLAM等机器视觉、运动规划、多轴运动控制等功能，这些功能需要有强大的CPU实现。
机器人控制器必须能在确定的时间内（微秒级）完成控制算法的执行和中断调度 ,并且可以使多个任务同时进行。
支持多种多样网络通讯协议，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。
Part 4
Speedgoat迷你型实时目标机
Speedgoat是一家专门从事最先进的实时仿真系统开发和制造的国际化公司，总部位于瑞士伯尔尼。作为Mathworks的联营公司，自2007年创立伊始，Speedgoat即与Mathworks一道共同开发实时仿真测试整体解决方案。
Speedgoat实时目标机均基于MathWorks的实时操作系统Simulink Real-Time，无缝兼容 Matlab/Simulink开发环境，是Mathworks官方的实时仿真和测试平台。Speedgoat实时仿真系统，配合Mathworks的软件解决方案，能够保证用户在完整的基于模型的开发流程（MBD）中持续的确认和验证其设计，这些流程包括需求规范、离线仿真、快速控制原型（RCP）、硬件在环仿真（HIL）和部署等环节。
针对目前市场需求，尤其是紧凑的、可批量使用机器人控制器的需求，Speedgoat于2020年2月创新性地推出单元版实时目标机（Unit Target Machine）。
这是一款体积小（仅6cm*14cm*10cm）、质量轻（约800g）且坚固耐用的“迷你型”实时目标机，可提供多种IO接口扩展满足各种应用，特别适合对质量和尺寸要求严苛的应用场合。
如同其他版本的Speedgoat产品一样，单元版目标机经过专业的设计，用于运行、测试和部署基于Simulink平台开发的实时应用。
单元版实时目标机具有四核Intel 1.6GHz 处理器，可实时运行基于Simulink建立的实时仿真应用，配置SSD硬盘进行数据记录，2个千兆以太网接口，其中一个用于与上位机进行通信，另一个可支持基于以太网通信的各种协议，包含Real-Time UDP, XCP, TCP/IP, PTP IEEE1588和EtherCAT Master等协议，可安装不同的IO模块进行IO扩展，支持扩展温度范围-40℃~ +85℃。
单元版实时目标机的主要特性：
- 基于Simulink搭建算法，运行、测试、部署实时应用
- 支持基于HDL Coder的FPGA算法开发（使用IO397 FPGA模块）
- 支持基于Simulink Test的自动化测试，基于MATLAB App Designer的上位机GUI搭建
该目标机提供1个mPCIe安装槽位，可安装不同的IO模块扩展IO通道，可扩展的功能包括：
- 模拟与数字通道，串行通讯协议（RS232/RS422/RS485）
- 运动控制和编码器反馈（PWM信号，绝对式和增量式编码器、Endat2.2，BISS等）
- 工业总线如EtherCAT, PROFINET, PROFIBUS，EtherNet/IP, ModbusTCP，POWERLINK，CAN等
单元版实时目标机相关规格参数如下：
| 配置 | 规格 | | CPU | Intel Atom x5-i3940 1.6 GHz quad-core | | 实时操作系统 | Simulink Real-Time | | 内存 | 4GB DDR3 RAM | | 存储空间 | 120GB SSD | | USB接口 | 2*USB 3.0 | | 上位机接口 | 1*以太网接口 | | 视频接口 | 1*DisplayPort. 支持分辨率: 1280x1024 | | 千兆网口 | 1个支持real-time UDP, EtherCAT Master, XCP Master, TCP/IP和PTP 1588协议 | | 供电 | 12VDC适配器，15W | | 质量 | 约800g | | 尺寸 | 6cmx14cmx10cm | | 运行温度 | 0℃~ +65℃ | | 湿度范围 | 10%~90%, 无冷凝 | | 产品认证 | CE |
除最新发布的单元版实时目标机外，Speedgoat还提供其他三种类型的实时目标机：
- 基础版实时目标机（Baseline Target Machine）
- 移动式实时目标机（Mobile Target Machine）
- 高性能实时目标机（Performance Target Machine）
这些目标机配置不同的IO板卡和通讯板卡，可形成各种各样的机器人控制器或者机器人测试系统（用来测试机器人的设备）。
注：前排从左至右分别为基础版实时目标机、移动版实时目标机；后排为高性能实时目标机
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上海熠速信息技术有限公司（简称“熠速”），2017年3月成立于上海，是一家持续和快速成长的高科技企业，在汽车电子、航空航天、电力电子、轨道交通、工业自动化等多个行业深耕细作，并通过与国际一流厂商的强强联合、不断地投入自主研发，为用户提供一流的研发工具、工程咨询以及培训等多种产品与服务。
熠速是Speedgoat中国区代理商和增值服务提供商，负责Speedgoat产品在中国区的市场销售、系统集成、增值服务和技术支持等工作。
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发表于 2020-4-10 05:19:05
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