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

0引言

控制器是機器人系統(tǒng)的核心，國外有關公司對我國實行嚴密封鎖。近年來隨著微電子技術的發(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器人控制器帶來了新的發(fā)展機遇，使開發(fā)低成本、高性能的機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，目前機器人控制器多采用計算能力較強的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，這就產生了機器人系統(tǒng)對SoC（SystemonChip）技術的需求，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的處理器內核集成在其FPGA產品上，形成了一個完整的SoC系統(tǒng)。在機器人運動控制器方面，其研究主要集中在美國和日本,并有成熟的產品,如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以DSP技術為核心,采用基于PC的開放式結構。

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

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

1 機器人控制器類型

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

從機器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結構類型。

1.1串行處理結構

所謂的串行處理結構是指機器人的控制算法是由串行機來處理。對于這種類型的控制器，從計算機結構、控制方式來劃分，又可分為以下幾種。

（1）單CPU結構、集中控制方式

用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部控制功能。在早期的機器人中，如Hero-I,Robot-I等，就采用這種結構，但控制過程中需要許多計算（如坐標變換），因此這種控制結構速度較慢。

（2）二級CPU結構、主從式控制方式

一級CPU為主機，擔當系統(tǒng)管理、機器人語言編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補，并定時地把運算結果作為關節(jié)運動的增量送到公用內存，供二級CPU讀?。欢塁PU完成全部關節(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，僅通過公用內存交換數(shù)據(jù)，是一個松耦合的關系。對采用更多的CPU進一步分散功能是很困難的。日本于70年代生產的Motoman機器人（5關節(jié)，直流電機驅動）的計算機系統(tǒng)就屬于這種主從式結構。

（3）多CPU結構、分布式控制方式

目前，普遍采用這種上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關節(jié)運動，這些CPU和主控機聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合。這種結構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構，即每個處理器承擔固定任務。目前世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都是這種結構。

控制器計算機控制系統(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來計算機器人控制算法。它們存在一個共同的弱點：計算負擔重、實時性差。所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補償解耦等方法來減輕實時控制中的計算負擔。當機器人在運行中受到干擾時其性能將受到影響，更難以保證高速運動中所要求的精度指標。

由于機器人控制算法的復雜性以及機器人控制性能的亟待提高，許多學者從建模、算法等多方面進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結構控制器上滿足實時計算的要求。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或小型機；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并行處理結構

并行處理技術是提高計算速度的一個重要而有效的手段，能滿足機器人控制的實時性要求。關于機器人控制器并行處理技術，人們研究較多的是機器人運動學和動力學的并行算法及其實現(xiàn)。1982年J.Y.S.Luh首次提出機器人動力學并行處理問題，這是因為關節(jié)型機器人的動力學方程是一組非線性強耦合的二階微分方程，計算十分復雜。提高機器人動力學算法計算速度也為實現(xiàn)復雜的控制算法如：計算力矩法、非線性前饋法、自適應控制法等打下基礎。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構。

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

構造并行處理結構的機器人控制器的計算機系統(tǒng)一般采用以下方式：

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

（2）利用有并行處理能力的芯片式計算機（如：Transputer,DSP等）構成并行處理網(wǎng)絡Transputer是英國Inmos公司研制并生產的一種并行處理用的芯片式計算機。利用Transputer芯片的4對位串通信的link對，易于構造不同的拓撲結構，且Transputer具有極強的計算能力。利用Transputer并行處理器，人們構造了各種機器人并行處理器，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用。DSP以極快的數(shù)字運算速度見長，并易于構成并行處理網(wǎng)絡。

（3）利用通用的微處理器構成并行處理結構，支持計算，實現(xiàn)復雜控制策略在線實時計算。

2 機器人控制器存在的問題

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，對機器人的性能提出更高的要求。

智能機器人技術的研究已成為機器人領域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人，多肢體協(xié)調控制系統(tǒng)以及先進制造系統(tǒng)中的機器人的研究等。相應的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，機器人自誕生以來，特別是工業(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結構進行開發(fā)的，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機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器人控制器來看，串行處理結構控制器的結構封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制的要求，所以目前絕大多數(shù)商用機器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結構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開放。所采用的“專用計算機（如PUMA機器人采用PDP-11作為上層主控計算機）、專用機器人語言（如VAL）、專用微處理器并將控制算法固定在EPROM中”結構限制了它的可擴展性和靈活性，因此說它的結構是封閉的。

并行處理結構控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，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器人運動學、動力學模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結構的映射特征來設計，即通過分解給定任務，得到若干子任務，列出數(shù)據(jù)相關流圖，實現(xiàn)各子任務在對應處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內在特點，如程序設計不當則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來，現(xiàn)有機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、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結構。封閉的控制器結構使其具有特定的功能、適應于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進。

（2）軟件獨立性差

軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，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)相關性、通訊及同步等內在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導致整個系統(tǒng)的癱瘓。

（4）擴展性差

目前，機器人控制器的研究著重于從關節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能。由于結構的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展，如增加傳感器控制等功能模塊。

（5）缺少網(wǎng)絡功能

現(xiàn)在幾乎所有的機器人控制器都沒有網(wǎng)絡功能。

總起來看，前面提到的無論串行結構還是并行結構的機器人控制器都不是開放式結構，無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改。例如，商品化的Motoman機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、擴充功能，通常的做法是對其詳細解剖分析，然后對其改造。

3 機器人控制器的展望

隨著機器人控制技術的發(fā)展，針對結構封閉的機器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機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)具有開放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結構、網(wǎng)絡功能的機器人控制器］。我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。

開放式結構機器人控制器是指：控制器設計的各個層次對用戶開放，用戶可以方便的擴展和改進其性能。其主要思想是：

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

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

（3）采用標準總線結構，使得為擴展控制器性能而必須的硬件，如各種傳感器，I/O板、運動控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

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

我們可以根據(jù)上述思想設計具有開放式結構的機器人控制器。而且設計過程中要盡可能做到模塊化。模塊化是系統(tǒng)設計和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設計，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、重構和添加配置功能。基于多自主體概念設計的新型控制器就是按模塊化方法設計的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫模塊、通訊模塊、傳感器信息模塊、人機接口模塊、調度模塊、規(guī)劃模塊、伺服控制模塊等7個模塊構成。

新型的機器人控制器應有以下特色：

（1）開放式系統(tǒng)結構

采用開放式軟件、硬件結構，可以根據(jù)需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產線。

（2）合理的模塊化設計

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

（3）有效的任務劃分

不同的子任務由不同的功能模塊實現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。

（4）實時性、多任務要求

機器人控制器必須能在確定的時間內完成對外部中斷的處理，并且可以使多個任務同時進行。

（5）網(wǎng)絡通訊功能

利用網(wǎng)絡通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人協(xié)同工作。

（6）形象直觀的人機接口

另外，機器人控制器中，運動控制板是必不可少的。由于機器人性能的不同，對運動控制板的要求也不同。美國DeltaTau公司推出的PMAC（ProgrammableMulti-axisController）在國內外引起重視。PMAC是一種功能強大的運動控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術的強大功能，為用戶提供了很強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，比起其他運動控制板來說，有很多可取之處。由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結構完全開放的標準化機器人控制器存在一定困難，但應用現(xiàn)有技術，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標準的實時多任務操作系統(tǒng)，標準的總線結構，標準接口等，打破現(xiàn)有機器人控制器結構封閉的局面，開發(fā)結構開放性、功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的。

4 結論

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