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1 引言
從世界上第一臺(tái)遙控機(jī)械手的誕生至今已有50年了，在這短短的幾年里，伴隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代［1］：（1）可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人；（2）基于傳感器控制具有一定自主能力的機(jī)器人；（3）智能機(jī)器人．作為機(jī)器人的核心部分，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．目前，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時(shí)也為機(jī)器人控制器的性能提出更高的要求．
對(duì)于不同類(lèi)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(jì)方案也不一樣．本文僅討論工業(yè)機(jī)器人控制器問(wèn)題．
2 機(jī)器人控制器類(lèi)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(dòng)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(lái)看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型．
2.1 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(lái)處理．對(duì)于這種類(lèi)型的控制器，從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來(lái)劃分，又可分為以下幾種［2］.
?。?） 單CPU結(jié)構(gòu)、集中控制方式
用一臺(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)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(guò)程中需要許多計(jì)算（如坐標(biāo)變換），因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢．
?。?） 二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式
一級(jí)CPU為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語(yǔ)言編譯和人機(jī)接口功能，同時(shí)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(shí)地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的增量送到公用內(nèi)存，供二級(jí)CPU讀??；二級(jí)CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制．這類(lèi)系統(tǒng)的兩個(gè)CPU總線(xiàn)之間基本沒(méi)有聯(lián)系，僅通過(guò)公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，是一個(gè)松耦合的關(guān)系．對(duì)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(dòng)）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)構(gòu)．
?。?） 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(jí)分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等．下位機(jī)由多CPU組成，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過(guò)總線(xiàn)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(duì)具體問(wèn)題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個(gè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的位置控制部分，幾乎無(wú)例外地采用數(shù)字式位置控制．
以上幾種類(lèi)型的控制器都是采用串行機(jī)來(lái)計(jì)算機(jī)器人控制算法．它們存在一個(gè)共同的弱點(diǎn)：計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時(shí)性差．所以大多采用離線(xiàn)規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來(lái)減輕實(shí)時(shí)控制中的計(jì)算負(fù)擔(dān)．當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時(shí)其性能將受到影響，更難以保證高速運(yùn)動(dòng)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(jì)算量的努力，但仍難以在串行結(jié)構(gòu)控制器上滿(mǎn)足實(shí)時(shí)計(jì)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(jì)算，提高控制器的計(jì)算能力．
2.2 并行處理結(jié)構(gòu)
并行處理技術(shù)是提高計(jì)算速度的一個(gè)重要而有效的手段，能滿(mǎn)足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性要求．從文獻(xiàn)來(lái)看，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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)．1982年J.Y.S.Luh［3］首次提出機(jī)器人動(dòng)力學(xué)并行處理問(wèn)題，這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程是一組非線(xiàn)性強(qiáng)耦合的二階微分方程，計(jì)算十分復(fù)雜．提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)算法計(jì)算速度也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如：計(jì)算力矩法、非線(xiàn)性前饋法、自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ)．開(kāi)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(jì)算模型，開(kāi)發(fā)算法的并行性；二是首先開(kāi)發(fā)算法的并行性，然后設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般采用以下方式：
?。?）開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制專(zhuān)用VLSI［4，5］
設(shè)計(jì)專(zhuān)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(jì)算，能大大提高運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算速度．但由于芯片是根據(jù)具體的算法來(lái)設(shè)計(jì)的，當(dāng)算法改變時(shí)，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(kāi)發(fā)．
?。?）利用有并行處理能力的芯片式計(jì)算機(jī)(如：Transputer, DSP等）構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)
Transputer是英國(guó)Inmos公司研制并生產(chǎn)的一種并行處理用的芯片式計(jì)算機(jī)．利用 Transputer芯片的4對(duì)位串通信的link對(duì)，易于構(gòu)造不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且Transputer具有極強(qiáng)的計(jì)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(xiàn)型、樹(shù)型等．文獻(xiàn)［6］利用Transputer網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，而文獻(xiàn)［7］以實(shí)時(shí)控制為目的，分別實(shí)現(xiàn)了前饋補(bǔ)償及計(jì)算力矩兩種基于固定模型的控制方案．
隨著數(shù)字信號(hào)芯片速度的不斷提高，高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在信息處理的各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用．DSP以極快的數(shù)字運(yùn)算速度見(jiàn)長(zhǎng)，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)［8］．文獻(xiàn)［9］介紹了一種基于DSP的機(jī)器人控制器，采用并行/流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，提高控制器性能．
?。?）利用通用的微處理器
利用通用微處理器構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu)，支持計(jì)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算．如文獻(xiàn)［10，11］中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)．
3 機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)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(duì)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(lái)，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開(kāi)發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言、專(zhuān)用操作系統(tǒng)、專(zhuān)用微處理器．這樣的機(jī)器人控制器已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求．
從前面提到的兩類(lèi)機(jī)器人控制器來(lái)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(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)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(mǎn)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(kāi)放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿(mǎn)足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開(kāi)放．所采用的如文獻(xiàn)［12］所說(shuō)的“專(zhuān)用計(jì)算機(jī)(如PUMA機(jī)器人采用PDP-11作為上層主控計(jì)算機(jī))、專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言（如VAL）、專(zhuān)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(shuō)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(jì)算速度上有了很大突破，能保證實(shí)時(shí)控制的需要，但我們必須看到還存在許多問(wèn)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(dòng)學(xué)、動(dòng)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(lái)設(shè)計(jì)，即通過(guò)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(duì)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(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象．
綜合起來(lái)，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問(wèn)題，如：
?。?）開(kāi)放性差
局限于“專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言、專(zhuān)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)．
?。?）軟件獨(dú)立性差
軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴(lài)于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植．
?。?）容錯(cuò)性差
由于并行計(jì)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(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓．
?。?）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(jí)來(lái)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊．
?。?）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(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能．
總起來(lái)看，前面提到的無(wú)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(kāi)放式結(jié)構(gòu)，無(wú)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(kāi)放的，用戶(hù)難以根據(jù)自己需要對(duì)其修改、擴(kuò)充功能，通常的做法是對(duì)其詳細(xì)解剖分析，然后對(duì)其改造．
4 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(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)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(gè)發(fā)展方向．近幾年，日本、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家都在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)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(kāi)發(fā)的具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器［13］．我國(guó)863計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)［14］．
開(kāi)放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器是指：控制器設(shè)計(jì)的各個(gè)層次對(duì)用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能．其主要思想［15］是：
?。?）利用基于非封閉式計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，如Sun, SGI, PC’s．有效利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件．
?。?）利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，如Unix,Vxwork和標(biāo)準(zhǔn)的控制語(yǔ)言，如C，C++．采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語(yǔ)言，從而可以改變各種專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言并存且互不兼容的局面．
?。?）采用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)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(dòng)控制板可以很容易的集成到原系統(tǒng)．
?。?）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(méi)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(jì)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器．而且設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡可能做到模塊化．模塊化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立的一種現(xiàn)代方法，按模塊化方法設(shè)計(jì)，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(lái)的系統(tǒng)，不僅性能好、開(kāi)發(fā)周期短而且成本較低．模塊化還使系統(tǒng)開(kāi)放，易于修改、重構(gòu)和添加配置功能．文獻(xiàn)［16］基于多自主體概念設(shè)計(jì)的新型控制器就是按模塊化方法設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)模塊構(gòu)成．
新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：
?。?） 開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用開(kāi)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(lèi)型機(jī)器人或機(jī)器人化自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)．
（2） 合理的模塊化設(shè)計(jì)
對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，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．
?。?） 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．
?。?） 實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求
機(jī)器人控制器必須能在確定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行．
?。?） 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(tái)機(jī)器人協(xié)同工作．
?。?）形象直觀(guān)的人機(jī)接口
另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)控制板是必不可少的．由于機(jī)器人性能的不同，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制板的要求也不同．美國(guó)Delta Tau公司推出的PMAC(Programmable Multi-axies Controller)在國(guó)內(nèi)外引起重視．PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器，它全面地開(kāi)發(fā)了DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶(hù)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(hào)處理器，PMAC可以同時(shí)操縱1～8軸，比起其他運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)說(shuō)，有很多可取之處．
由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類(lèi)繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)一個(gè)結(jié)構(gòu)完全開(kāi)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(kāi)放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)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(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)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．
5 結(jié)束語(yǔ)
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(duì)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(shí)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(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作．而具有開(kāi)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(wú)疑對(duì)提高機(jī)器人性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義．
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