人脑由几个主要部分组成:脑干、小脑、边缘系统和大脑皮层。 它大致负责三类功能:1)自主过程,如呼吸、心跳、消化等,2)协调运动,如手、脚、躯干运动等,3)心理活动,如语言、情感、记忆等。
人脑的结和功能。
机器人也有点相似,人形机器人的控制器框架通常包括感知、语音交互、运动控制等关卡
1)视觉感知层:由硬件传感器和算法软件组成,实现识别、3D建模、定位导航等功能;
2)运动控制层:由触觉传感器、运动控制器等硬件和复杂的运动控制算法组成,实时控制机器人的步态和操作行为;
3)交互算法层:包括语音识别、情感识别、自然语言和文本输出等。
运动控制器是人形机器人控制架构中最重要、最复杂的模块之一。 例如,加州大学洛杉矶分校的人形机器人平台Artemis有一个复杂的运动框架,由运动控制器、步态调度、步态规划、轨迹规划器和全身控制器组成。
运动控制系统的简要示意图。
运动控制系统是机械设备的核心部件,其功能是实时控制机械运动部件的轨迹、位置、速度和加速度。 一整套运动控制系统包括: 运动控制器、驱动器、电机、传感器等
控制器利用被控机械系统的运动学和动力学模型进行运动规划和控制,同时通过多种传感器提供的信息进行反馈,实现闭环控制。 它集成了逻辑控制、精确定位、轨迹控制等算法,完成特定的运动轨迹、位置、速度和加速度,并准确输出满足控制目标的指令,如温度、流量、压力、位移等。
随着工业电气化、自动化、智能化的进程,运动控制系统已经发展了数百年,产生了多种技术路线。 根据不同的使用场景,运动控制系统分为数控系统(CNC)、通用运动控制器(GMC)、可编程逻辑控制器(PLC)等。
我们经常听到的是CNC和PLC,它们分别用于机床和自动化生产线。 通用运动控制器(GMC)更加灵活和通用,可用于复杂的控制,广泛应用于工业机器人、包装、针织机械、半导体加工、激光加工设备、数控机床、木工机械、印刷机械、电子加工设备和自动化生产线等各个行业。
其实,在一般运动控制的基础上,还有各种差异化专用控制器更专注于执行特定的机械运动或运动控制任务。 例如,数控机床、激光切割控制系统、激光打标控制系统等需要高精度、可定制运动控制的领域,也使得PLC、CNC、GMC之间的界限变得模糊不清。
说到机器人,它的控制器架构分为三种类型:集中控制、主从控制和分布式控制。 与工业机器人的控制器相比,人形机器人的控制要求相对较低,工业机器人的运动控制精度为01mm,虽然低于微米级机床的要求,但远高于人形机器人的要求。
单个 6 自由度灵巧的手可以使用 1 2 个控制器。
人形机器人不用于精密加工,因此对工艺理解和精度要求不高。 然而,人形机器人主要用于控制更复杂的全身更多自由度和灵巧的手部自由度、步态控制和全身协调控制等,需要连接更多的外部传感器(视觉、力、触觉、听觉等),应用场景更加复杂多样,需要引入人工智能大模型、算法和算力要求较高。
最后,整个控制器市场:
1.在全球市场竞争格局中,欧美厂商在大中型PLC市场有很强的话语权,而日系和台湾厂商主要集中在中小型PLC市场,大陆厂商的市场份额仍然较低,但大陆厂商凭借其产品性价比高的优势,正在迅速占领中小型PLC的市场份额。 交货期短,对客户需求快速响应,挑战日台厂商的地位。
2.标准和高档数控系统,市场份额主要集中在日本发那科、三菱(日本厂家基本不向中国出口高端数控系统)、德国西门子、海德汉等国际企业,国内华中数控为代表的优秀系统公司目前正专注于高端数控系统的进口替代。 经济型数控系统技术相对成熟,国内市场份额已基本被国产品牌占据。
3.基于PC的(PC-based)通用控制器,市场由国外成熟厂商主导,但国产品牌渗透率较高。 2024年,市场前五大企业将占据21%的市场份额,其余为国产品牌,以研华、酷高、雷赛、威虹电子为代表的国产企业将占据35%的市场份额,逐渐成为PC运动控制器领域的重要力量。
中国运动控制器细分市场细分市场。
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