從技術(shù)角度講，編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制系統(tǒng)（RobotController，以下稱RC）讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)確實(shí)不難，幾萬(wàn)行代碼足矣。一個(gè)極簡(jiǎn)版機(jī)器人控制系統(tǒng)可以分成幾個(gè)模塊：程序編輯器、解釋器、路徑規(guī)劃器、插補(bǔ)器、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解、硬件接口模塊。

如何搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)？以讓機(jī)器人末端走一條直線為例，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。大致步驟如下：

●程序編輯器，可以找開(kāi)源的文本編輯器改造；

●解釋器，可以用正則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)；

●路徑規(guī)劃器，可以照著《機(jī)器人導(dǎo)論》第七章來(lái)；

●插補(bǔ)器，也可以照著《機(jī)器人導(dǎo)論》第七章來(lái)；

●運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，可以照著《機(jī)器人導(dǎo)論》第四章來(lái)；

●硬件接口模塊，可以買現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制卡，也可以移植開(kāi)源的通信協(xié)議棧。

另外，網(wǎng)絡(luò)上有海量的基礎(chǔ)開(kāi)源代碼可以供參考甚至直接使用，并不需要多大的工作量。一個(gè)有點(diǎn)編程基礎(chǔ)，了解基本機(jī)器人學(xué)的工程師兩個(gè)月就能“搞定”這樣一個(gè)“機(jī)器人控制系統(tǒng)”。

這樣的控制系統(tǒng)優(yōu)化一下穩(wěn)定性和用戶界面（HMI），也可以應(yīng)付簡(jiǎn)單的工作，放在三十年前也是世界一流水平。

當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

上面的極簡(jiǎn)版控制器實(shí)際是按從示教上的直觀體驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)的：能執(zhí)行文本指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。僅從此點(diǎn)看，現(xiàn)在四大家的控制系統(tǒng)似乎也不過(guò)如此了。

事實(shí)上，經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，控制系統(tǒng)早已不能用這種簡(jiǎn)單描述來(lái)概括了。

當(dāng)代的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)至少需要考慮以下設(shè)計(jì)原則，見(jiàn)圖2。

（1）DesignforRobots

a)robotshassingularities,limitedpower,flexiblestructure

b)imperfectlymanufactured

c)bynomeansaperfecteffector

（2）DesignforApplications

a)sensor-basedpathplanning

b)FTsensor-basedfunctions

c)communicationprotocols

d)easyintegration

e)process-specificfunctions

f)highlyreliable,robustandscalablesoftwarearchitecture

（3）DesignforHuman

a)intuitiveinteraction

b)easy-to-use

c)safetyrequirements

以上列出的細(xì)分點(diǎn)，每一個(gè)都可以寫(xiě)一個(gè)很大的專題，因此本文只能給出一些概括性的介紹。

DesignforRobots

控制系統(tǒng)首先需要控制機(jī)器人的機(jī)電系統(tǒng)，發(fā)揮出機(jī)器人應(yīng)有的性能，滿足性能需求。像上述極簡(jiǎn)版控制器那么處理是肯定不行的，單以走直線為例，不考慮奇異的問(wèn)題，實(shí)際中幾乎無(wú)法使用。

現(xiàn)實(shí)中的工業(yè)機(jī)器人絕非理想的執(zhí)行器：輸出功率有限、結(jié)構(gòu)有柔性、加工有誤差。在這些約束下如何滿足諸如高速高精度的性能要求，是控制系統(tǒng)必須解決的首要問(wèn)題。在成本限制下，當(dāng)代控制系統(tǒng)一般采用基于模型的控制方案，首先需要一套動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型并辨識(shí)出準(zhǔn)確的參數(shù)，這是基礎(chǔ)（圖3）。

此外，工業(yè)上對(duì)機(jī)器人的節(jié)拍通常有很高的要求，這就需要控制系統(tǒng)在規(guī)劃過(guò)程中顯式地考慮機(jī)器人本體的動(dòng)力學(xué)特性。

這是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，而由于機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，離線優(yōu)化方案一般不能使用。如何處理諸多不同類型的約束條件，如何設(shè)計(jì)在線優(yōu)化算法，是當(dāng)代控制系統(tǒng)要考慮的核心問(wèn)題之一。（見(jiàn)圖4）

1、高適用性、高穩(wěn)定性、高可擴(kuò)展性的軟件架構(gòu)

當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人涉及到力學(xué)、感知、優(yōu)化、控制、計(jì)算機(jī)、通訊等多個(gè)專業(yè)學(xué)科門(mén)類，又涉及到各種各樣的軟件硬件，還涉及復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景。這對(duì)控制系統(tǒng)提出了諸多挑戰(zhàn)，沒(méi)有一個(gè)足夠健壯和開(kāi)放的軟件架構(gòu)幾乎是不可想象的，其中包括：

●如何支持機(jī)器人各種控制策略的實(shí)現(xiàn)與切換；

●如何實(shí)現(xiàn)多層級(jí)/多模塊間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互；

●如何保證諸多功能的并行不悖；

●如何進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行而不進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)；

●如何設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互。

2、機(jī)器人誤差標(biāo)定與補(bǔ)償

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)時(shí)必然會(huì)引入加工裝配誤差；在負(fù)載狀態(tài)下又會(huì)發(fā)生彈性變形。為了提高精度，一般會(huì)經(jīng)過(guò)出廠前的標(biāo)定，通過(guò)辨識(shí)方法來(lái)得到準(zhǔn)確的幾何誤差和變形偏差，進(jìn)而在控制系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。

基于模型的控制方案考慮了機(jī)器人本體的諸多特性，這是當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有別于通用運(yùn)動(dòng)控制卡/器的一大特點(diǎn)，也是一大優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在主流的工業(yè)機(jī)器人有當(dāng)前的性能，有賴于此。

隨著模型和算法的不斷復(fù)雜，如何優(yōu)化/復(fù)用計(jì)算，如何分配計(jì)算量也成了軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)不得不考慮的問(wèn)題；DesignforRobots也意味著軟硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)，例如，如何用最小的成本達(dá)到功能性能需求，軟硬件的綜合優(yōu)化才能達(dá)到成本與性能的良好平衡。

正是基于這樣的限制和需求，現(xiàn)在世界上幾乎所有的機(jī)器人大廠才選擇了自己研發(fā)控制系統(tǒng)+機(jī)械本體設(shè)計(jì)，其他諸如電機(jī)、減速器等零部件外購(gòu)的策略。

DesignforApplications

工業(yè)應(yīng)用可以說(shuō)是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展的主要推動(dòng)力。過(guò)去，其發(fā)展長(zhǎng)期受汽車工業(yè)的需求驅(qū)動(dòng)；隨著應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，各種新應(yīng)用也對(duì)控制系統(tǒng)提出了各種各樣的需求。

1、基于傳感器的路徑規(guī)劃sensor-basedpathplanning

能根據(jù)傳感器信息來(lái)在線生成和修正路徑是當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為許多應(yīng)用提供支撐的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

基于傳感器的路徑規(guī)劃需要根據(jù)外部傳感器(例如攝像頭、編碼器、焊縫跟蹤儀、3D相機(jī)等)的反饋信息，在位置、速度、加速度等約束條件下快速響應(yīng)，動(dòng)態(tài)生成、修正和優(yōu)化機(jī)器人軌跡。典型的應(yīng)用包括傳送帶跟蹤、焊縫跟蹤、視覺(jué)伺服、非結(jié)構(gòu)環(huán)境下動(dòng)態(tài)規(guī)劃與避障等（如圖5所示）。

2、基于力傳感器的力控F/Tsensor-basedforcecontrol

在打磨、拋光、裝配等與環(huán)境設(shè)備高度交互的一類應(yīng)用中，在外部環(huán)境及機(jī)器人存在位置偏差時(shí)，只進(jìn)行位置控制很容易造成設(shè)備或者工具損壞。

通過(guò)力/力矩傳感器（F/TSensor）測(cè)量引入力反饋回路，并通過(guò)力反饋回路的控制改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性，從而起到機(jī)器人與外部環(huán)境動(dòng)態(tài)交互的作用，在機(jī)器人與外部環(huán)境存在偏差或不確定性時(shí)，仍能保證交互過(guò)程的平穩(wěn)安全（如圖6所示）。

如何以統(tǒng)一的框架滿足種類繁多的力控制應(yīng)用需求，是當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要解決的難點(diǎn)之一。

3、工藝process-specificfunctions

成熟的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)一般積累了許多工藝選項(xiàng)包，例如ABB和KUKA都提供了種類繁多的可選工藝軟件包（圖7）。

DesignforHuman

越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景需要取消隔離欄，取而代之的是機(jī)器人與人的近距離協(xié)作，此時(shí)機(jī)器人與人交互的直觀性和安全性變得尤為重要。協(xié)作機(jī)器人的本質(zhì)是安全和易于使用，這是控制和軟件的創(chuàng)新。

1、直觀交互intuitiveinteraction

由于缺少專業(yè)的機(jī)器人調(diào)試人員，機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中的復(fù)雜性是阻礙中小企業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的重要障礙，因此直觀的交互方式、簡(jiǎn)易的故障恢復(fù)措施是當(dāng)代控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。不管是離線編程、拖動(dòng)示教還是新興的語(yǔ)音示教、自主規(guī)劃，都是機(jī)器人在努力降低使用門(mén)檻的嘗試。

2、安全safetyrequirements

機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用的前提是必須在盡可能低成本和高使用自由度的情況下保證安全。

碰撞檢測(cè)技術(shù)通過(guò)機(jī)器人自身測(cè)量信息或外部傳感器信息，實(shí)時(shí)感知機(jī)器人與外部的異常接觸，同時(shí)采取有效的避障處理措施，從而降低碰撞造成的風(fēng)險(xiǎn)，是人機(jī)協(xié)作過(guò)程中保證人員和設(shè)備安全的重要技術(shù)途徑（如圖8、9所示）。

成熟技術(shù)在哪里？

1、費(fèi)米悖論

還有一種常見(jiàn)的觀點(diǎn)：工業(yè)機(jī)器人搞了這么多年，各種問(wèn)題都應(yīng)該上升到了理論，課本上都應(yīng)該有了解決方案，只要照本宣科即可，因此沒(méi)什么可搞的。

這使筆者想到了費(fèi)米悖論。

物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米在和人討論外星人的存在性時(shí)，突然來(lái)了一句：“他們都在哪兒呢？”?！钪婀爬隙鴱V闊，高技術(shù)文明的外星人很可能存在并來(lái)到地球，但為什么人類至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他們呢？

類似的，如果技術(shù)成熟又不乏專家，為什么大部分工廠充斥著的是國(guó)外的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備？為什么沒(méi)有人花兩個(gè)月造個(gè)趕超fanuc的機(jī)器人然后把圖紙和代碼開(kāi)源出來(lái)？那樣整個(gè)行業(yè)都會(huì)心懷感激照抄不誤的。

2、語(yǔ)料分析之《機(jī)器人手冊(cè)》

有時(shí)候，調(diào)研人員可能面對(duì)不熟悉領(lǐng)域的學(xué)術(shù)和技術(shù)情況感到難以下手。除了訪談式的調(diào)研，筆者有一個(gè)建議：多做些語(yǔ)料分析工作。

比如機(jī)器人行業(yè)，2008年Springer出版了大神OussamaKhatib和BrunoSiciliano主編的《機(jī)器人手冊(cè)》(SpringerHandbookofRobotics)，2016年又出了第二版。這本手冊(cè)全景式的展示了機(jī)器人學(xué)的諸多領(lǐng)域，應(yīng)該是分析機(jī)器人學(xué)科和行業(yè)的一個(gè)繞不過(guò)去的素材。

不需理解專業(yè)內(nèi)容，單從語(yǔ)料分析的角度來(lái)對(duì)這部手冊(cè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就會(huì)很多有意思的結(jié)論。比如：

（1）搜關(guān)鍵字“industrialrobot”，統(tǒng)計(jì)工業(yè)機(jī)器人在機(jī)器人手冊(cè)所占的篇幅。對(duì)比商業(yè)應(yīng)用的占比。

（2）搜工業(yè)機(jī)器人廠家的名字：fanuc,yaskawa,kuka,abb等等,統(tǒng)計(jì)其在機(jī)器人手冊(cè)中出現(xiàn)的篇幅，對(duì)比各家出貨量。

（3）統(tǒng)計(jì)編著者的分布：工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的占比；各作者的國(guó)籍分布。

（4）各章引文的作者分布：工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的占比；各作者的國(guó)籍分布。

做完以上統(tǒng)計(jì)，調(diào)研人員可以獲得以下數(shù)據(jù)對(duì)比，不一定準(zhǔn)確，請(qǐng)各自品味（如圖10所示）。