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1　引言

從世界上第一臺遙控機械手的誕生至今已有50年了，在這短短的幾年里，伴隨著計算機、自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進步，機器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代^［1］：

（1）可編程的示教再現(xiàn)型機器人；

（2）基于傳感器控制具有一定自主能力的機器人；

（3）智能機器人．

作為機器人的核心部分，機器人控制器是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一．它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展．目前，由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行，同時也為機器人控制器的性能提出更高的要求．

對于不同類型的機器人，如有腿的步行機器人與關(guān)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(shè)計方案也不一樣．本文僅討論工業(yè)機器人控制器問題．

2　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(wù)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(jié)構(gòu)類型．

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(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，又可分為以下幾種^［2］.

（1） 單CPU結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計算（如坐標變換），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，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(jié)果作為關(guān)節(jié)運動的增量送到公用內(nèi)存，供二級CPU讀取；二級CPU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進一步分散功能是很困難的．日本于70年代生產(chǎn)的Motoman機器人（5關(guān)節(jié)，直流電機驅(qū)動）的計算機系統(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、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等．下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)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(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)，即每個處理器承擔固定任務(wù)．目前世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)．

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(fù)雜性以及機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．

2.2　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，能滿足機器人控制的實時性要求．從文獻來看，關(guān)于機器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機器人運動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實現(xiàn)．1982年J.Y.S.Luh^［3］首次提出機器人動力學(xué)并行處理問題，這是因為關(guān)節(jié)型機器人的動力學(xué)方程是一組非線性強耦合的二階微分方程，計算十分復(fù)雜．提高機器人動力學(xué)算法計算速度也為實現(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)，以達到最佳并行效率．

構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)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[4，5]

設(shè)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(nèi)的并行體系結(jié)構(gòu)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(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(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．利用 Transputer芯片的4對位串通信的link對，易于構(gòu)造不同的拓撲結(jié)構(gòu)，且Transputer具有極強的計算能力．利用Transputer并行處理器，人們構(gòu)造了各種機器人并行處理器，如流水線型、樹型等．文獻［6］利用Transputer網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)逆運動學(xué)計算，而文獻［7］以實時控制為目的，分別實現(xiàn)了前饋補償及計算力矩兩種基于固定模型的控制方案．

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)字運算速度見長，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)^［8］．文獻［9］介紹了一種基于DSP的機器人控制器，采用并行/流水線的設(shè)計方案，提高控制器性能．

（3）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)，支持計算，實現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實時計算．如文獻［10，11］中設(shè)計的系統(tǒng)．