什么是機器人控制系統

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢還是不能動作。一方面是因為來自感官的信號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發出神經信號，驅使肌肉發生收縮或舒張。同樣，如果機器人只有傳感器和驅動器，機械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用，驅動電動機也得不到驅動電壓和電流，所以機器人需要有一個控制器，用硬件坨和軟件組成一個的控制系統。

機器人控制系統的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據操作任務的要求，驅動機械臂中的各臺電動機就像我們人的活動需要依賴自身的感官一樣，機器人的運動控制離不開傳感器。機器人需要用傳感器來檢測各種狀態。機器人的內部傳感器信號被用來反映機械臂關節的實際運動狀態，機器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環境的變化。

所以機器人的神經與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統。

機器人的運動控制系統包含哪些方面？

執行機構----伺服電機或步進電機；

驅動機構----伺服或者步進驅動器；

控制機構----運動控制器，做路徑和電機聯動的算法運算控制；

控制方式----有固定執行動作方式的，那就編好固定參數的程序給運動控制器；如果有加視覺系統或者其他傳感器的，根據傳感器信號，就編好不固定參數的程序給運動控制器。

機器人控制系統的基本功能

1.控制機械臂末端執行器的運動位置（即控制末端執行器經過的點和移動路徑）；

2.控制機械臂的運動姿態（即控制相鄰兩個活動構件的相對位置）；

3.控制運動速度（即控制末端執行器運動位置隨時間變化的規律）；

4.控制運動加速度（即控制末端執行器在運動過程中的速度變化）；

5.控制機械臂中各動力關節的輸出轉矩：（即控制對操作對象施加的作用力）；

6.具備操作方便的人機交互功能，機器人通過記憶和再現來完成規定的任務；

7.使機器人對外部環境有檢測和感覺功能。工業機器人配備視覺、力覺、觸覺等傳感器進行測量、識別，判斷作業條件的變化。

工業機器人控制系統

1、工業機器人控制系統硬件結構

控制器是機器人系統的核心，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，目前市場上已經出現了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展機遇，使開發低成本、高性能的機器人控制器成為可能。為了保證系統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對SoC（Systemon Chip）技術的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統外圍電路的設計，縮小系統尺寸，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。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。

2、工業機器人控制系統體系結構

在控制器體系結構方面，其研究重點是功能劃分和功能之間信息交換的規范。在開放式控制器體系結構研究方面，有兩種基本結構，一種是基于硬件層次劃分的結構，該類型結構比較簡單，在日本，體系結構以硬件為基礎來劃分，如三菱重工株式會社將其生產的PA210可攜帶式通用智能臂式機器人的結構劃分為五層結構；另一種是基于功能劃分的結構，它將軟硬件一同考慮，其是機器人控制器體系結構研究和發展的方向。

3、控制軟件開發環境

在機器人軟件開發環境方面，一般工業機器人公司都有自己獨立的開發環境和獨立的機器人編程語言，如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大學在機器人開發環境(Robot Development Environment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，可在部分機器人硬件結構下進行集成和控制操作，目前已在實驗室環境下進行了許多相關實驗。國內外現有的機器人系統開發環境有Team Bots，v.2.0e、ARIA，V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、Mission Lab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、Flow Designer.v.0.9.0、Robot Flow.v.0.2.6等等。從機器人產業發展來看，對機器人軟件開發環境有兩方面的需求。一方面是來自機器人最終用戶，他們不僅使用機器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機器人更多的功能，這種編程往往是采用可視化編程語言實現的，如樂高Mind Storms NXT的圖形化編程環境和微軟Robotics Studio提供的可視化編程環境。

4、機器人專用操作系統

（1）VxWorks，VxWorks操作系統是美國Wind River公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的任務間通信；微秒級的中斷處理；支持POSIX1003．1b實時擴展標準；支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網絡協議等。

（2）Windows CE，Windows CE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優勢。WindowsCE為建立針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統平臺，它能在多種處理器體系結構上運行，并且通常適用于那些對內存占用空間具有一定限制的設備。

（3）嵌入式Linux，由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改后應用于用戶自己的系統。有龐大的開發人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。支持的硬件數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質區別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。

（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應用設計的，可用于8位，16位和32位單片機或數字信號處理器（DSP）。它的主要特點是公開源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內核、可確定性等。

（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺所設計開發的一個尺寸可裁剪的實時多任務操作系統內核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實時內核；實時分析工具；芯片支持庫。利用實時操作系統開發程序，可以方便快速的開發復雜的DSP程序。

5、機器人伺服通信總線技術

目前國際上還沒有專用于機器人系統中的伺服通信總線，在實際應用過程中，通常根據系統需求，把常用的一些總線，如以太網、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于機器人系統中。當前大部分通信控制總線可以歸納為兩類，即基于RS-485和線驅動技術的串行總線技術和基于實時工業以太網的高速串行總線技術。

智能機器人控制系統

1.開放性模塊化的控制系統體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

2.模塊化層次化的控制器軟件系統：軟件系統建立在基于開源的實時多任務操作系統Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現軟件系統的開放性。整個控制器軟件系統分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發，系統中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協作共同實現該層次所提供的功能。

3.機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行

診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。

4.網絡化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發展，機器人控制器的聯網技術變得越來越重要。控制器上具有串口、現場總線及以太網的聯網功能。可用于機器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產線進行監控、診斷和管理。

盤點國內10大領先控制器廠商

1、華中數控

2013年為進一步拓展數控一代產業鏈，華中數控公司全資子公司深圳華中數控有限公司的名稱將變更為深圳華數機器人有限公司，其經營范圍增加機器人的研發、生產和銷售業務。華中數控總裁表示公司的業務一直是圍繞工業控制系統、伺服驅動和電機展開，而這也正是工業機器人的幾大核心部件，因此公司能夠“順理成章”地快速切入機器人領域。“我們的目的就是想利用自身成熟的技術，從市場需求出發，提供最優的機器人解決方案。”

其實早在1999年，華中數控就開發出了華中I型機器人的控制系統和教育機器人。經過近二十年發展，華中數控目前已掌握了多項機器人控制和伺服電機的關鍵核心技術，在控制器、伺服驅動器和電機這三大核心部件領域均具備了很大的技術優勢。

作為高端數控系統龍頭企業的華中數控，擁有數控系統、伺服驅動及電機等核心技術和工業機器人控制技術，此次搶抓重慶機器人產業政策的契機，將拓展包括重慶在內的西部市場。就市場容量看，重慶汽車、電子兩大支柱產業工業機器人整機需求量巨大；化工、裝備制造、采礦等行業對工業機器人的需求也不斷增多，市場潛力值得期待。

2.新松機器人

新松公司隸屬中國科學院，是一家以機器人獨有技術為核心，致力于數字化智能高端裝備制造的高科技上市企業。公司的機器人產品線涵蓋工業機器人、潔凈(真空)機器人、移動機器人、特種機器人及智能服務機器人五大系列，其中工業機器人產品填補多項國內空白，創造了中國機器人產業發展史上88項第一的突破。公司以近150億的市值成為沈陽最大的企業，是國際上機器人產品線最全廠商之一，也是國內機器人產業的領導企業。

SIASUN-GRC機器人控制器是沈陽新松機器人自動化股份有限公司具有自主版權、自主開發的實用化、商品化的機器人控制器，該機器人控制器設計合理、技術先進、性能優越、系統可靠、使用方便。采用交流伺服驅動，絕對碼盤檢測和大屏幕漢字示教編程盒等多項最新技術，形成了先進的高性能機器人控制系統。該系統的整體性能已達到國際先進水平，是國內第一個可商品化的機器人控制器，具有小批量生產能力。目前已作為RH6-A弧焊機器人的配套控制器，已批量生產。

高性能機器人控制器采用32位計算機全數字控制，整個系統采用開放式和模塊化結構。在硬件上，采用全新設計的計算機控制系統、控制柜和編程示教盒。在軟件上，采用軟件工程的思想，實現以功能鍵驅動的全菜單操作的漢字機器人操作系統。以我公司自主開發的弧焊機器人系統為基礎，并進行了進一步的升級和更新，功能更強大，操作更簡便。該系統具有下列特點：

主計算機采用工業級486DX4-100微型單板計算機，具有可靠性高，運算速度快等特點。

可適用于不同的機器人本體、機器人軸數和應用背景，具有較大的靈活性

實現機器人和多個變位機的協調運動，改善了圓弧的插補精度，內嵌PLC功能。

SIASUN-GRC機器人控制器為通用機器人控制器，完全可以應用于其他的場合。SIASUN-GRC機器人控制器已經投入小批量生產，要想大規模生產機器人控制器產品，需在保證產品質量下，如何降低機器人控制器的成本。解決機器人控制器關鍵元部件的國產化，即提高機器人產品的國產化率是當務之急。”

3.新時達

基于自身在運動控制和驅動領域的研究成果，新時達確定了運動控制和工業機器人的業務發展方向。機器人是工業自動化控制的最高端產品之一，是最具有代表性的控制、驅動、執行一體化產品，新時達研發成功基于以太網總線技術的高性能嵌入式運動控制器和伺服系統等為機器人產品的市場迅速推廣提供了技術實現平臺。

自成立以來，新時達始終致力于工業自動化控制產品的研發、制造和銷售。公司主營業務分三大類，一類是電梯控制產品以及電梯物聯網，主要包括電梯控制成套系統以及相關配件產品，廣泛適用于各類電梯的制造、更新以及維修保養；第二類是節能與工業傳動類產品，主要包括高、低壓各類工業控制變頻器、電梯專用變頻器、電梯一體化驅動控制器等，廣泛適用于電梯、起重、港口機械、橡塑、冶金、礦山、電力、市政、水泥、包裝印刷、空壓機、機床等各個行業；第三類是機器人與運動控制類產品，主要包括六自由度工業機器人系列產品、機器人控制器、機器人專用伺服系統、總線及脈沖型各類通用交流伺服系統等，應用于電梯、食品加工、包裝、電子加工、數控機床等各類設備，以及搬運、焊接、打磨、切割等各個制造環節。

近期，新時達擬以發行股份及支付現金相結合的方式購買深圳眾為興技術股份有限公司，眾為興在運動控制技術、機器人算法、伺服驅動技術等方面擁有多項核心技術，擁有領先的研發機構與完整的質量保證體系，已通過ISO9001及CMMI3級軟件企業能力成熟度模型認證，是我國最早一批擁有完全自主知識產權的運動控制類產品設計、制造的高新技術企業。

新時達在機器人領域正謀求快速發展。該公司3月24日在深交所互動易表示，公司已自主研發了基于工業以太網的機器人控制器，并成功運用。

4.南京埃斯頓

1993年埃斯頓自動化于中國六朝古都南京注冊設立，專注、誠信的企業經營理念和改革開放的良好市場環境，使埃斯頓自動化一步一步成長和壯大，今天已經成為國內高端智能機械裝備及其核心控制和功能部件制造業領軍企業之一。

目前埃斯頓自動化已經形成包括金屬成形機床數控系統、電液伺服系統、交流伺服系統及運動控制系統和工業機器人及成套設備等四大類產品，目前除了在數控金屬成形機床行業擁有較大市場份額和埃斯頓工業機器人全部配備外，還廣泛用于各種智能專用裝備制造行業，如紡織機械、包裝機械、印刷機械和電子機械等，是行業內的技術領軍企業，具有較高的行業知名度和影響力。工業機器人及成套設備作為公司控制系統和交流伺服系統產品的延伸，符合市場需求發展的大勢，具有較強的技術和成本優勢，將成為在智能裝備核心領域挑戰國際巨頭的主力軍。

工業機器人產品具備六軸通用機器人、四軸碼垛機器人、SCARA機器人、DELTA機器人、伺服機械手等系列。及其自動化工程完整解決方案；上述產品現已應用到機床、紡織機械、包裝機械、印刷機械、電子機械等機械裝備的自動化控制，以及焊接、機械加工、搬運、裝配、分揀、噴涂等領域的智能化生產。

為配合公司下幾年發展戰略，南京埃斯頓機器人工程有限公司已正式運行。該公司將以推動中國工業機器人民族產業發展為目標，充分發揮公司已有控制系統和交流伺服系統產品的技術和成本優勢，拓展下游產業發展空間，致力于工業機器人產業規模化和國產化，爭取通過數年的努力，建立一個具有國際知名度的埃斯頓工業機器人品牌和業界著名公司，成為公司繼金屬成形機床鍛壓自動化產品線、電液伺服產品線、交流伺服系統及運動控制系統產品線后的第四條公司產品線，為公司下幾年的高速發展集聚新的推動力。

5.匯川技術

富士康的生產線使用大量自動化產品，包括伺服、變頻器、PLC等，公司產品已經在富士康生產線上取得大量應用。公司稱，公司會持續跟進富士康在大陸工廠的項目。公司董秘宋君恩認為分析認為，機器人專用控制器的生產，說明公司開始向高端的機器人產品發展。分析人士稱匯川技術研發專用機器人控制器舉措，使該公司產品具有更多機器人產業應用的發展空間。

6月4日匯川技術在投資者關系活動記錄顯示，公司正在研制專供機器人使用的專用控制器，預計樣機會在2014年底或2015年初推出。

匯川技術本身做伺服驅動起家，從廣義上不論是伺服系統、控制器、PLC等技術產品都可以應用于機器人上，與富士康的合作中，這些產品都被廣泛應用，在富士康生產線上的一些自動化或無人化設備、機械手中都能找到匯川技術生產的部件。機器人專用控制器的生產說明公司開始向高端的機器人產品發展。

一位獨立分析人士表示，匯川技術現在所涉及的已有伺服電機技儲備、機器人專用控制器技術的研發、未來可能實現的控制器量產以及是否有進行機器人產業鏈豐富的可能，與富士康曾公布并引發外界廣泛關注的百萬機器人大軍計劃似乎相得益彰。匯川技術這項向高端機器人進軍的舉措，使該公司未來在機器人產業中具有更大發展空間。

6.廣州數控設備有限公司

廣州數控設備有限公司(GSK)中國南方數控產業基地，國內技術領先的專業成套機床數控系統供應商。公司秉承科技創新，以核心技術為動力，以追求卓越品質為目標，以提高用戶生產力為先導，主營業務有：數控系統、伺服驅動、伺服電機研發生產，數控機床連鎖營銷、機床數控化工程，工業機器人、精密數控注塑機研制，數控高技能人才培訓。

GSK是國內最大的機床數控系統研發、生產基地、科研開發人員800多人、年投入科研經費占銷售收入8%以上，年新產品收入占總銷售的75%以上。GSK擁有國內一流的生產設備和工藝流程，年產銷數控系統連續10年全國第一，占國內同類產品市場的1/2份額。公司科學規范的質量控制體系保證每套產品合格出品。

GSK擁有完善的服務網絡和一流的服務團隊，全方位、多層次、科學高效的服務管理方式和手段，保證用戶在最短時間得到快捷、可靠、有效的響應。

GSK廣州數控以“打造百年企業、鑄就金質品牌”的企業理念和“精益求精，讓用戶滿意”的服務精神，通過持續不斷的技術進步與創新為提升用戶產品價值和效益，為推動數控系統產品國產化過程不懈努力。

廣州數控設備有限公司主營業務包括工業機器人，其產品應用于搬運、弧焊、涂膠、切割、噴漆、科研及教學、機床加工上下料等領域。該公司一位人士說，機械行業中的噴涂、搬運、上下料都是目前替換需求很高的工種。

7.深圳市華盛控科技有限公司

深圳市華盛控科技有限公司是一家集科研、設計、制造、銷售于一體，擁有自主知識產權的機器人運動控制科技企業。公司長期致力于工業機器人、機器人控制器、機器人視覺、各種非標機器人系統和復雜軌跡運動控制系統研發，制造。

深圳市華盛控科技有限公司主營運動控制卡、控制器、人機界面、機器視覺、DELTA機器人控制系統、SCARA機器人控制系統、六自由度關節機器人控制系統、視覺檢測系統、復雜軌跡控制系統、各種數控系統等，承接數控系統的開發，專用運動控制系統開發、專用控制器開發、圖形圖像軟件開發等，也可以承擔數控設備改造項目。

華盛控產品有自主六軸關節機器人，四軸關節機器人，四軸并聯(DELTA)機器人，六軸并聯(DELTA)機器人，三至六軸聯動機器人控制器，各種機器人控制系統和軟件，華盛控科技的產品都是以運動控制技術及機器視覺技術相結合，為客戶提供更精確更智能化自動設備。

華盛控高速并聯DELTA機器人是目前國內速度最快，系統最穩定的高速分揀機器人，主要應用于電子組裝、醫藥制造分揀、加工設備產品分揀、食品包裝分揀(諸如巧克力、餅干、面包、糖果)等各種包裝行業。

8.廣泰數控

成都廣泰數控設備有限公司(廣泰數控)是一家專業從事數控系統、驅動電源、工業機器人研發、生產和銷售的高新科技民營企業。公司位于成都市武侯區武興三路13號，創立于1997年。

目前，公司已形成數控系統配套、機床數控化改造、工業機器人應用、數控技術人才開發等多元化產業布局，成為中國數控行業中產品檔次最高、發展速度最快的企業之一。

公司立足于發展和創新數控技術，實施數控技術成果產業化發展戰略。計劃在將來完成工業機器人裝配基地、數控產品生產基地、全國最大的機床數控化大修改造基地和學生數控技術實訓基地的籌備與建設

CCR工業機器人控制系統則采用工業控制PCWindowsXPE的控制方式，實現整個系統管理、運動學計算、軌跡規劃等功能；由FPGA實現上下位機之間的位置、速度信息的傳遞功能；采用總線結構形式實現了上下位機通信和對運動中干擾的實時處理。該系統采用了計算機標準總線，可擴展各種工業現場總線和各種傳感設備，可進行智能控制，系統的維護和升級方便、快捷。

9.固高科技

固高科技(香港)有限公司成立于1999年，總部位于香港科技大學。創立者為自動化和微電子領域的國際知名專家、學者。具有多年在加利福尼亞大學(UCBerkeley)、麻省理工學院(MIT)、貝爾實驗室(BellLab)等國際一流科研機構進行研發和管理經驗，同年，固高科技(深圳)有限公司成立。

固高科技匯集了一批在運動控制及機電一體化領域卓有建樹的科技精英，致力于運動控制、圖像與視覺傳感、機械優化設計、伺服驅動等工業自動化技術的研發和應用，自主研發的基于PC的開放式運動控制器、嵌入式運動控制器、網絡式運動控制器、計算機可編程自動化控制器產品與系統，綜合性能已達到了國際一流水平，填補了國內同行業的多項空白。固高科技的產品廣泛應用于數控機床、機器人、電子加工和檢測設備、激光加工設備、印刷機械、包裝機械、服裝加工機械、生產自動化等工業控制領域。

作為國內技術領先的自動控制產品供應商，固高科技是國家級高新技術企業，廣東省產學研示范基地，“深港創新圈”裝備制造核心技術平臺，深圳市唯一的運動控制技術工程中心承擔企業。固高科技的國內營銷服務網絡已遍及北京、上海、武漢、成都、長春、濟南、青島、西安、南寧等各大城市，為客戶提供快速、優質的服務。海外市場更是延伸至港澳臺、東南亞以及歐美等三十多個國家和地區。

10.卡諾普

成都卡諾普自動化控制技術有限公司是一家專業從事工業機器人控制系統研發、生產、銷售的技術型公司，于2005年開始研發工業機器人控制系統，其核心研發人員都有十年以上的運動控制技術、計算機技術、軟件技術的從業經驗，2007年研制出第一代工業機器人系統，并開始逐步在國內市場應用，并與國內知名工業機器人生產廠商和工業機器人應用廠商合作，是國內最早

把國產工業機器人控制系統應用于實踐的公司之一。通過市場的反饋和認識，對機器人的運動控制、機器人裝配生產、工程應用有深刻的認識。于2010年推出第二代機器人控制系統：CRP-S40(4軸)和CRP-S80(8軸)兩種系統，在2011年完成了標定、噴涂、碼垛、焊接工藝、視覺、跟蹤等的功能要求，更加符合國內的市場需求。我們宗旨是為客戶提供可靠、經濟實用的工業機器人技術。

第二代系統采用國際流行的開放式軟硬件平臺。配以自主研發的專用多軸運動控制卡、數據采集卡及機器人專用端子及安全接口，模塊化的軟件設計，標準的計算機總線可擴展現場總線、機器視覺系統等。可實現垂直多關節串聯機器人、垂直多關節平行四邊形機器人、垂直多關節L形手腕機器人、垂直多關節球形手腕機器人、極坐標機器人、Delta機器人等多類機器人的控制。可控制機器人應用在搬運、焊接、噴涂、碼垛、切割、拋光打磨等領域。

機器人控制架構

如果說驅動子系統是機器人的肌肉，能源子系統是機器人的心臟，那么控制和決策子系統就是機器人的大腦。這是機器人最重要、最復雜的一個子系統。

機器人是一種高度復雜的自動化裝置。其控制子系統也是直接來源于自動化領域的其他應用，例如工廠自動化領域中所用到的處理器、電路以及標準。本章僅僅列舉并對比了幾種常見的、典型的控制系統拓撲結構，然后分析了幾個典型的機器人控制子系統的構成，特別是詳細說明了“創意之星”機器人的控制架構。

典型的幾種機器人控制架構(ARCHITECHURE)

這里我們不討論傳統的工業機器人，主要關注的是自主移動機器人、仿生機器人等新形態的機器人。通常，機器人的架構是指如何把感知、建模、規劃、決策、行動等多種模塊有機地結合起來，從而在動態環境中，完成目標任務的一個或多個機器人的結構框架。總的說來，當前自主機器人的控制架構可分為下述幾類：

1.程控架構，又稱規劃式架構，即根據給定初始狀態和目標狀態規劃器給出一個行為動作的序列，按部就班地執行。較復雜的程控模型也會根據傳感器的反饋對控制策略進行調整，例如在程序的序列中采用“條件判斷+跳轉”這樣的方法。

2.包容式架構和基于行為的控制模型，又稱為反應式模型，復雜任務被分解成為一系列相對簡單的具體特定行為，這些行為均基于傳感器信息并針對綜合目標的一個方面進行控制。基于行為的機器人系統對周圍環境的變化能作出快速的響應，實時性好，但它沒有對任務做出全局規劃，因而不能保證目標的實現是最優的。

3.混合式架構，是規劃和基于行為的集成體系，不僅對環境的變化敏感，而且能確保目標的實現效率。通常混合式架構有兩種模式：一種模式是，決策系統的大框架是基于規劃的，在遇到動態情況時再由行為模型主導；另一種模式是，決策系統的大框架基于行為，在具體某些行為中采用規劃模型。總之，混合式架構的設計目的是盡可能綜合程控架構和包容式架構的優點，避免其缺點。

下面幾小節對以上三種架構進行初步的討論。更進一步的資料，請參閱相關文獻。本書的附錄中列出了一些可供參考閱讀的書籍資料。

1.1集中程控架構

傳統的機器人大都是工業機器人。他們通常工作在流水線的一個工位上，每個機器人的位置是已知、確定的；設計者在每臺機器人開始工作之前也很清楚他的工作是什么，他的工作對象在什么位置。這種情況下，對機器人的控制就變成了數值計算，或者說“符號化”的計算。例如，我們通過實地測量可以得到一臺搬運機器人的底座的坐標；再通過空間機構幾何學的計算（空間機器人的正解、逆解），可以得到機器人的各個關節處于什么樣的位置的時候其末端的搬運裝置可以到達給定位置。這樣，機器人控制策略設計者是在一個靜態的、結構化的、符號化的環境中編寫策略；他不需要考慮太多的突發情況，至多需要考慮一些意外，例如利用簡單的傳感器檢測應該被搬運的工件是否在正確的位置，從而決定是否報警或者停止工作等等。

這類機器人通常由一個單獨的控制器。這個控制器收集從機器人各個關節、各個附加傳感器傳送來的位置、角度等信息，通過控制器處理后，計算機器人下一步的工作。整個機器人是在這個控制器的控制下運作，對于一些異常的處理也在程序的設定范圍內。下圖是兩個典型的采用集中式系統架構的移動機器人框圖。左側的框圖的控制器是一臺PC機，它擔負了所有的信息采集、處理和控制功能；右圖是經過改進的機器人架構：在PC機之外，增加了一個DSP控制器，承擔了PC機的部分工作。但是，這兩種架構下控制器的負擔都相當重，并且如果控制器出現故障，整個機器人將會癱瘓。

對于上面描述的工作內容，程控式、集中控制式結構是非常理想的。如前所述，機器人不會遇到太多動態的、非符號化的環境變化，并且控制器能夠得到足夠多的、準確的環境信息。設計者可以在機器人工作前預先設計好最優的策略，然后讓機器人開始工作，過程中只需要處理一些可以預料到的異常事件。

但是，假設我們要設計一個在房間里漫游的移動機器人，房間的大小未知；并且我們也無法準確地得到機器人在房間中的相對位置，這種架構將無法獲得足夠的信息，并且無法處理未知的突發情況。因此對于傳統意義之外的機器人，例如移動機器人、寵物機器人等，程控式控制架構就很難適應了。

集中式程控架構的優點是系統結構簡單明了，所有邏輯決策和計算均在集中式的控制器中完成。這種架構很清晰：控制器是大腦，其他的部分不需要有處理能力。

而對于仿生機器人、在未知環境中工作的機器人，一個大腦處理所有事情真的合適嗎？

考慮蚯蚓、蜈蚣之類的低等生物。它們的大腦很不發達（甚至沒有大腦），反而具有一個很發達的脊索或者很奪個神經節。大部分是這些分布在全身的神經節在主導它們的活動和反應，而不是大腦。

讀者在中學生物課中應該做過這么一個試驗：

用一個小錘子，輕輕地敲膝蓋以下的位置。你會發現小腿不受控制地自動抬起。這是著名的“膝跳反射”試驗。這個實驗說明，即使是人類這樣的高等生物，也不是全部的生命活動都在大腦的控制之下。設想一個具有人類全部功能的機器人。它有數百個電動機對應人類的數百塊肌肉，有數萬個傳感器，對應人類的皮膚、眼睛、鼻子和耳朵等。如果采用集中式控制架構，這個機器人的大腦將很難負荷如此龐大的數據運算和決策。

因此對于工業機器人之外的其他機器人，發展出了分層式控制架構、包容式架構，以及混合式架構等更適合其特點的控制架構。

1.2分層式架構(LAYERED ARCHITECTURE)

分層式架構是隨著分布式控制理論和技術的發展而發展起來的。分布式控制通常由一個或多個主控制器和很多個節點組成，主控制器和節點均具有處理能力。其中心思想是：主控制器可以比較弱，但是大部分的非符號化信息已經在其各自的節點被處理、符號化，再傳遞給主控制器來進行決策判斷。單個節點分布式控制模型已經被廣泛應用在大型工廠、樓宇等結構復雜、傳感器和執行器很多的場合中。

分層式架構是基于認知的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）模型，因此也稱之為基于知識的架構。在AI模型中，智能任務由運行于模型之上的推理過程來實現，它強調帶有環境模型的中央規劃器，它是機器人智能不可缺少的組成部分，而且該模型必須準確、一致。分層式架構是把各種模塊分成若干層次，使不同層次上的模塊具有不同的工作性能和操作方式。

通過對分布式系統中不同功能的節點進行功能層次劃分，即得到了分層式架構。

分層式架構中最有代表性的是由20世紀80年代智能控制領域著名學者Saridis提出的三層模型。Saridis認為隨著控制精度的增加，智能能力減弱，即層次向上智能增加，但是精度降低，層次向下則相反。按照這一原則，他把整個結構按功能分為三個層次，即執行級、協調級和組織級。其中，組織級是系統的“大腦”，它以人工智能實現在任務組織中的認知、表達、規劃和決策；協調級是上層和下層的智能接口，它以人工智能和運籌學實現對下一層的協調，確定執行的序列和條件；執行級是以控制理論為理論基礎，實現高精度的控制要求，執行確定的運動。需要指出的是，這僅僅是一個概念模型，實際的物理結構可多于或少于三級，無論多少級，從功能上來說由上到下一般均可分為這三個層次。信息流程是從低層傳感器開始，經過內外狀態的形勢評估、歸納，逐層向上，且在高層進行總體決策；高層接受總體任務，根據信息系統提供的信息進行規劃，確定總體策略，形成宏觀命令，再經協調級的規劃設計，形成若干子命令和工作序列，分配給各個控制器加以執行。

在分層式架構中，最廣泛遵循的原則是依據時間和功能來劃分架構中的層次和模塊。其中，最有代表性的是美國航天航空局（NASA）和美國國家標準局（NBS）提出的NASREM的結構。其出發點之一是考慮到一個智能機器人可能有作業手、通訊、聲納等多個被控分系統，而這樣的機器人可能組成一個組或組合到更高級的系統中，相互協調工作；出發點之二是考慮已有的單元技術和正在研究的技術可以應用到這一系統中來，包括現代控制技術和人工智能技術等。整個系統橫向上分成信息處理、環境建模和任務分解三列，縱向上分為坐標變換與伺服控制、動力學計算、基本運動、單體任務、成組任務和總任務六層，所有模塊共享一個全局數據庫，如下圖所示。

NASREM結構的各模塊功能和關系非常清楚，有利于系統的構成和各模塊內算法的添加和更換。它具有全局規劃和推理的能力，對復雜的環境可以做出合理的反應，適合于一個或一組機器人的控制。但同其它的分層式架構一樣，NASREM的問題在于輸入環境的信息必須通過信息處理列的所有模塊。結果往往是將簡單問題復雜化，影響了機器人對環境變化的響應速度，而機器人非常重要的一個性能就是對環境變化、意外事件的發生等要求作出迅速反應。因此，分層式架構從理論上只適合于那些有一定的位置環境信息、在輕微非結構化環境工作的機器人。但是由于總線技術、實時控制技術的高速發展，分層式架構的最致命弱點之一：響應較慢等問題也得到了一定程度的緩解。由于分層式架構也較為成熟，因此還有大量的移動機器人、玩具機器人使用這種架構，并在一定程度上融入了包容式架構和混合式架構中。

1.3包容式架構(SUBSUMPTION ARCHITECTURE)

假設我們的機器人是在一個虛擬的環境中運行。這個虛擬的環境中，地面是絕對水平的，墻壁是絕對垂直的；同時，傳感器是沒有誤差的，機器人的輪子也是不會打滑的，我們可以精確地通過編碼器等傳感器來得到機器人的所處位置，以及他與周圍環境的相對關系，從而根據程序作出決策。

但是事實上情況完全不是這么理想。再平坦的地面也會有起伏，更不要說野外的地形環境；超聲聲納返回的數據有時候會產生很大的誤差，甚至激烈地跳變；當機器人啟動和停下的時候，它的輪子是一定會打滑的。由于機器人所處的真實世界主要為非結構化的動態環境，往往會遇到事先完成的程序規劃說沒有考慮到的問題。這樣的環境下，我們遇到的情況往往是，預先規劃好的決策程序，在實際中會遇到各種各樣的麻煩而根本無法像我們設想的那樣工作。

包容式架構和基于行為的機器人控制模型就是主要為了解決這一問題而產生的。集中式架構、分層式架構在機器人控制中產生的種種問題主要根源于：

1、環境的復雜性和環境模型的誤差；

2、環境的不可預知性；

3、對環境感知不精確帶來的不穩定性。

程控架構解決不了后兩個問題。而通過包容式架構和基于行為的控制模型卻可以較好地解決這兩個問題，雖然可能會犧牲一些效率。

為了簡單地說明這兩種控制架構之間的差別，我們舉一個簡單的例子（可能不太貼切）：假設有一臺掃地機器人，它的任務是要走遍整個房間，同時把房間打掃干凈。如果我們采用規劃模型完成這個任務，那么機器人可能會按照預先設定的一定的路徑，把整個地面遍歷一次或多次，但是如果中間碰到了一個規劃的時候忽略了的椅子，那么這個機器人很可能就會偏航，從而永遠無法完成掃地的任務；如果采用基于行為的模型，那么機器人可能會到處亂走，并根據碰到的情況調整行走的方向，但是最終這個機器人也能夠磕磕碰碰地完成打掃房間的任務。

分層式結構能夠較好地解決智能和控制精度的關系，創造一種良好的自主式控制方式。然而由于上文所述的三種問題，使得分層式體系結構在靈活性、實時性和適應性方面經常存有缺陷。

針對上述缺點，美國麻省理工學院的R.Brooks從研究移動機器人控制系統結構的角度出發，提出了基于行為的體系結構―包容式體系結構（SubsumptionArchitecture）。與分層式體系結構把系統分解成功能模塊，并按感知―規劃―行動（Sense-Planning-Action，SPA）過程進行構造的串行結構不同（如下圖所示）；

包容式體系結構是一種完全的反應式體系結構，是基于感知與行為（Sense-Action，SA）之間映射關系的并行結構（如下圖所示）。在包容式結構中，上層行為包含了所有的下層行為，上層只有在下層的輔助下才能完成自己的任務；另一方面下層并不依賴于上層，雖然上層有時可以利用或制約下層，然而下層的內部控制與上層無關，增減上層不會影響下層。

在基于行為的模型中，參與控制的是各異的、并有可能不兼容的多個行為，每個行為負責機器人某一特定目標的實現或維護，如跟蹤目標或避障等。多個行為往往可能產生互相沖突的控制輸出命令。因而系統首先需解決的一個問題是多行為的協作，即通過構造有效的多行為活動協調機制，實現合理一致的整體行為。

同樣以上面的掃地機器人為例子。我們可以把“打掃整個房間”分解為“前進并掃地”、“避開左側障礙物”、“避開右側障礙物”、“避開前方障礙物”這幾個基本的行為。機器人一開始對自己的任務不做任何規劃，只是簡單地前進。當遇到障礙物時，相應的行為被激活，產生一個給驅動執行機構的輸出，執行相應的動作。再通過一個合理的仲裁器（例如一個FSM狀態機），來決定如果多種行為產生沖突時的優先級。

這樣看似簡單的邏輯卻具有很好的適應能力。這樣一個掃地機器人最終必然能夠把屋子打掃干凈。但是不幸的是，如果運氣不夠好，他打掃完整個房間可能要花上幾個小時。

上面談到行為協作機制的實現方法可分為兩類：仲裁和命令合成。采用仲裁方法的行為協作在同一時間允許一個或一系列行為實施控制，下一時間又轉向另一組行為。而命令合成關心的是如何將各個行為的結果最終合成為一個命令，輸入到機器人的執行機構。它允許多個行為都對機器人的最終控制產生作用，這種方法適用于解決典型多行為問題，如在自由空間漫游的機器人，同時需避開遇到的障礙物。仲裁機制和命令合成機制均有著許多具體的實現策略，各有其優勢和不足之處。

1.4混合式架構(HYBRID ARCHITECTURE)

包容式架構強調模塊的獨立、平行工作，但缺乏全局性的指導和協調，雖然在局部行動上可顯示出靈活的反應能力和魯棒性，但是對于長遠的全局性目標跟蹤顯得缺少主動性，目的性較差。例如上文舉例的掃地機器人。包容式架構和行為模型為機器人提供了一個高魯棒性、高適應能力和對外界信息依賴更少的控制方法。但是它的致命問題是效率。因此對于一些更加復雜的應用，可能需要混合式架構，以融合程控架構和包容式架構/行為模型的優點，盡量避免它們各自的缺點。

通常，混合式架構在較高級的決策層面采用程控架構，以獲得較好的目的性和效率；在較低級的反應層面采用包容式架構，以獲得較好的環境適應能力、魯棒性和實時性。

Gat提出了一種混合式的三層體系結構，分別是：反應式的反饋控制層（Controller），反應式的規劃―執行層（Sequencer）和規劃層（Deliberator）。博創科技推出的UP-VoyagerIIA機器人即采用了基于行為的混合分層控制架構，該架構包括用戶層、自主規劃決策層、行為層和執行控制層四個層次。用戶層主要處理用戶與機器人的交互；主要用于傳遞給用戶必要的信息并接受用戶的指令；自主規劃決策層完成一些高層的自主決策，例如遍歷房間，或者移動到給定位置而不碰到突然出現的障礙物；行為層包括避碰、低電壓保護、擾動、逃離等一些行為，可以不在上層的控制下自主執行。執行控制層則是把傳感器的非符號化數據轉變為符號化數據供上層讀取，或者用自動控制理論和方法高速地控制執行器的運作。