摘要：本文首先對機(jī)器人控制器進(jìn)行定義和分類，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。本文介紹了目前機(jī)器人控制器的現(xiàn)狀，分析了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，探討了機(jī)器人控制器的發(fā)展方向和要著重解決的問題。

    0引言

    控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心，國外有關(guān)公司對我國實(shí)行嚴(yán)密封鎖。近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的性能越來越高，而價格則越來越便宜，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處理器。高性價比的微處理器為機(jī)器人控制器帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，使開發(fā)低成本、高性能的機(jī)器人控制器成為可能。為了保證系統(tǒng)具有足夠的計算與存儲能力，目前機(jī)器人控制器多采用計算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機(jī)器人系統(tǒng)在價格、性能、集成度和接口等方面的要求，這就產(chǎn)生了機(jī)器人系統(tǒng)對SoC（SystemonChip）技術(shù)的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計，縮小系統(tǒng)尺寸，并降低成本。例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上，形成了一個完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人運(yùn)動控制器方面，其研究主要集中在美國和日本,并有成熟的產(chǎn)品,如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運(yùn)動控制器以DSP技術(shù)為核心,采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu)。

    作為計算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，計算機(jī)控制技術(shù)包括范圍十分廣泛，從機(jī)器人智能、任務(wù)描述到運(yùn)動控制和伺服控制等技術(shù)。既包括實(shí)現(xiàn)控制所需的各種硬件系統(tǒng)，又包括各種軟件系統(tǒng)。最早的機(jī)器人采用順序控制方式，隨著計算機(jī)的發(fā)展，機(jī)器人采用計算機(jī)系統(tǒng)來綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能，并采用示教再現(xiàn)的控制方式。隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，機(jī)器人控制技術(shù)正朝著智能化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了離線編程、任務(wù)級語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)。多種技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)智能機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

    對于不同類型的機(jī)器人，如有腿的步行機(jī)器人與關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計方案也不一樣。本文僅討論工業(yè)機(jī)器人控制器問題。

    1 機(jī)器人控制器類型

    機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。

    從機(jī)器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。

    1.1串行處理結(jié)構(gòu)

    所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理。對于這種類型的控制器，從計算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，又可分為以下幾種。

    （1）單CPU結(jié)構(gòu)、集中控制方式

    用一臺功能較強(qiáng)的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。在早期的機(jī)器人中，如Hero-I,Robot-I等，就采用這種結(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計算（如坐標(biāo)變換），因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。

    （2）二級CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式

    一級CPU為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能，同時也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)，并定時地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到公用內(nèi)存，供二級CPU讀?。欢塁PU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制。

    這類系統(tǒng)的兩個CPU總線之間基本沒有聯(lián)系，僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，是一個松耦合的關(guān)系。對采用更多的CPU進(jìn)一步分散功能是很困難的。日本于70年代生產(chǎn)的Motoman機(jī)器人（5關(guān)節(jié)，直流電機(jī)驅(qū)動）的計算機(jī)系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)構(gòu)。

    （3）多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式

    目前，普遍采用這種上、下位機(jī)二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合。這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個處理器承擔(dān)固定任務(wù)。目前世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。

    控制器計算機(jī)控制系統(tǒng)中的位置控制部分，幾乎無例外地采用數(shù)字式位置控制。以上幾種類型的控制器都是采用串行機(jī)來計算機(jī)器人控制算法。它們存在一個共同的弱點(diǎn)：計算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時性差。所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來減輕實(shí)時控制中的計算負(fù)擔(dān)。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運(yùn)動中所要求的精度指標(biāo)。

    由于機(jī)器人控制算法的復(fù)雜性以及機(jī)器人控制性能的亟待提高，許多學(xué)者從建模、算法等多方面進(jìn)行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結(jié)構(gòu)控制器上滿足實(shí)時計算的要求。因此，必須從控制器本身尋求解決辦法。方法之一是選用高檔次微機(jī)或小型機(jī)；另一種方法就是采用多處理器作并行計算，提高控制器的計算能力。

    1.2并行處理結(jié)構(gòu)

    并行處理技術(shù)是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機(jī)器人控制的實(shí)時性要求。關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)。1982年J.Y.S.Luh首次提出機(jī)器人動力學(xué)并行處理問題，這是因為關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)方程是一組非線性強(qiáng)耦合的二階微分方程，計算十分復(fù)雜。提高機(jī)器人動力學(xué)算法計算速度也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如：計算力矩法、非線性前饋法、自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ)。開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法，使之并行化，然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu)。

    一般有兩種方式，一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu)，根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計算模型，開發(fā)算法的并行性；二是首先開發(fā)算法的并行性，然后設(shè)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳并行效率。

    構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器的計算機(jī)系統(tǒng)一般采用以下方式：

    （1）開發(fā)機(jī)器人控制專用VLSI設(shè)計專用VLSI能充分利用機(jī)器人控制算法的并行性，依靠芯片內(nèi)的并行體系結(jié)構(gòu)易于解決機(jī)器人控制算法中大量出現(xiàn)的計算，能大大提高運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)方程的計算速度。但由于芯片是根據(jù)具體的算法來設(shè)計的，當(dāng)算法改變時，芯片則不能使用，因此采用這種方式構(gòu)造的控制器不通用，更不利于系統(tǒng)的維護(hù)與開發(fā)。

    （2）利用有并行處理能力的芯片式計算機(jī)（如：Transputer,DSP等）構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)Transputer是英國Inmos公司研制并生產(chǎn)的一種并行處理用的芯片式計算機(jī)。利用Transputer芯片的4對位串通信的link對，易于構(gòu)造不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且Transputer具有極強(qiáng)的計算能力。利用Transputer并行處理器，人們構(gòu)造了各種機(jī)器人并行處理器，如流水線型、樹型等。

    隨著數(shù)字信號芯片速度的不斷提高，高速數(shù)字信號處理器（DSP）在信息處理的各個方面得到廣泛應(yīng)用。DSP以極快的數(shù)字運(yùn)算速度見長，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)。

    （3）利用通用的微處理器構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu)，支持計算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實(shí)時計算。

    2 機(jī)器人控制器存在的問題

    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，對機(jī)器人的性能提出更高的要求。

    智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力/位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采用專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。

    從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實(shí)時控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層次上是開放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放。所采用的“專用計算機(jī)（如PUMA機(jī)器人采用PDP-11作為上層主控計算機(jī)）、專用機(jī)器人語言（如VAL）、專用微處理器并將控制算法固定在EPROM中”結(jié)構(gòu)限制了它的可擴(kuò)展性和靈活性，因此說它的結(jié)構(gòu)是封閉的。

     并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實(shí)時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題。目前的并行處理控制器研究一般集中于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來設(shè)計，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列出數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對應(yīng)處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點(diǎn)，如程序設(shè)計不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問題，如：

    （1）開放性差

局限于“專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。

    （2）軟件獨(dú)立性差

軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。

    （3）容錯性差

由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。

    （4）擴(kuò)展性差

目前，機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊。

    （5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能

    現(xiàn)在幾乎所有的機(jī)器人控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能。

    總起來看，前面提到的無論串行結(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器都不是開放式結(jié)構(gòu)，無論從軟件還是硬件都難以擴(kuò)充和更改。例如，商品化的Motoman機(jī)器人的控制器是不開放的，用戶難以根據(jù)自己需要對其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析，然后對其改造。

    3 機(jī)器人控制器的展望

    隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器］。我國863計劃智能機(jī)器人主題也已對這方面的研究立項。

    開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器是指：控制器設(shè)計的各個層次對用戶開放，用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能。其主要思想是：

    （1）利用基于非封閉式計算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng)，如Sun,SGI,PC's.有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)平臺的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

    （2）利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，如Unix,Vxwork和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言，如C，C++.采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語言，從而可以改變各種專用機(jī)器人語言并存且互不兼容的局面。

    （3）采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，使得為擴(kuò)展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器，I/O板、運(yùn)動控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

    （4）利用網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)資源共享或遠(yuǎn)程通訊。目前，幾乎所有的控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能，利用網(wǎng)絡(luò)通訊功能可以提高系統(tǒng)變化的柔性。

    我們可以根據(jù)上述思想設(shè)計具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器。而且設(shè)計過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設(shè)計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)計，系統(tǒng)由多種功能模塊組成，各模塊完整而單一。這樣建立起來的系統(tǒng)，不僅性能好、開發(fā)周期短而且成本較低。模塊化還使系統(tǒng)開放，易于修改、重構(gòu)和添加配置功能。基于多自主體概念設(shè)計的新型控制器就是按模塊化方法設(shè)計的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機(jī)接口模塊、調(diào)度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個模塊構(gòu)成。

    新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：

    （1）開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動生產(chǎn)線。

    （2）合理的模塊化設(shè)計

    對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計，這不僅方便安裝和維護(hù)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。

    （3）有效的任務(wù)劃分

    不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。

    （4）實(shí)時性、多任務(wù)要求

    機(jī)器人控制器必須能在確定的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且可以使多個任務(wù)同時進(jìn)行。

    （5）網(wǎng)絡(luò)通訊功能

    利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺機(jī)器人協(xié)同工作。

    （6）形象直觀的人機(jī)接口

    另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動控制板是必不可少的。由于機(jī)器人性能的不同，對運(yùn)動控制板的要求也不同。美國DeltaTau公司推出的PMAC（ProgrammableMulti-axisController）在國內(nèi)外引起重視。PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶提供了很強(qiáng)的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號處理器，PMAC可以同時操縱1～8軸，比起其他運(yùn)動控制板來說，有很多可取之處。由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。

    4 結(jié)論

    隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對機(jī)器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時操作中，是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器的研究無疑對提高機(jī)器人性能和自主能力、推動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。