機器人控制器類型

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

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全部控制功能，在早期的機器人中 ，如 Hero-I， Robo t-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運動的增量送到公用內存，供二級 CPU讀取；二級CPU完成全部關節位置數字控制。這類系統的兩個CPU總線之間基本沒有聯系 ，僅通過公用內存交換數據 ，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 M otoma n機器人 （ 5關節 ，直流電機驅動 ）的計算機系統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管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多 C PU組成 ，每個 CPU控制一個關節運動，這些 CPU和主控機聯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中的位置控制部分，幾乎無例外地采用數字式位置控制。

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。

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，從文獻來看，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 .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 ，根據處理器結構所支持的計算模型 ，開發算法的并行性;二是首先開發算法的并行性 ，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。

機器人控制器發展

隨著機器人控制技術的發展 ，針對結構封閉的機器人控制器的缺陷 ，開發“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展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發具有開放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基于 PC開發的具有開放式結構、網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系統，有效利用標準計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展創造條件。

（2）利用標準的操作系統，采用標準操作系統和控制語言，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。

（4）利用網絡通訊 ，實現資源共享或遠程通訊。目前，幾乎所有的控制器都沒有網絡功能，利用網絡通訊功能可以提高系統變化的柔性，我們可以根據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。模塊化是系統設計和建立的一種現代方法，按模塊化方法設計，系統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，不僅性能好、開發周期短而且成本較低。模塊化還使系統開放，易于修改、重構和添加配置功能。