1　引言

從(cong) 世界上第一台遙控機械手的誕生至今已有50年了，在這短短的幾年裏，伴隨著計算機、自動控製理論的發展和工業(ye) 生產(chan) 的需要及相關(guan) 技術的進步，機器人的發展已經曆了3代^［1］：

（1）可編程的示教再現型機器人；

（2）基於(yu) 傳(chuan) 感器控製具有一定自主能力的機器人；

（3）智能機器人．

作為(wei) 機器人的核心部分，機器人控製器是影響機器人性能的關(guan) 鍵部分之一．它從(cong) 一定程度上影響著機器人的發展．目前，由於(yu) 人工智能、計算機科學、傳(chuan) 感器技術及其它相關(guan) 學科的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行，同時也為(wei) 機器人控製器的性能提出更高的要求．

對於(yu) 不同類型的機器人，如有腿的步行機器人與(yu) 關(guan) 節型工業(ye) 機器人，控製係統的綜合方法有較大差別，控製器的設計方案也不一樣．本文僅(jin) 討論工業(ye) 機器人控製器問題．

2　機器人控製器類型

機器人控製器是根據指令以及傳(chuan) 感信息控製機器人完成一定的動作或作業(ye) 任務的裝置，它是機器人的心髒，決(jue) 定了機器人性能的優(you) 劣．

從(cong) 機器人控製算法的處理方式來看，可分為(wei) 串行、並行兩(liang) 種結構類型．

2.1　串行處理結構

所謂的串行處理結構是指機器人的控製算法是由串行機來處理．對於(yu) 這種類型的控製器，從(cong) 計算機結構、控製方式來劃分，又可分為(wei) 以下幾種^［2］.

（1） 單CPU結構、集中控製方式

用一台功能較強的計算機實現全部控製功能．在早期的機器人中，如Hero-I, Robot-I等，就采用這種結構，但控製過程中需要許多計算（如坐標變換），因此這種控製結構速度較慢．

（2） 二級CPU結構、主從(cong) 式控製方式

一級CPU為(wei) 主機，擔當係統管理、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，並定時地把運算結果作為(wei) 關(guan) 節運動的增量送到公用內(nei) 存，供二級CPU讀取；二級CPU完成全部關(guan) 節位置數字控製．這類係統的兩(liang) 個(ge) CPU總線之間基本沒有聯係，僅(jin) 通過公用內(nei) 存交換數據，是一個(ge) 鬆耦合的關(guan) 係．對采用更多的CPU進一步分散功能是很困難的．日本於(yu) 70年代生產(chan) 的Motoman機器人（5關(guan) 節，直流電機驅動）的計算機係統就屬於(yu) 這種主從(cong) 式結構．

（3） 多CPU結構、分布式控製方式

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(ge) 係統管理以及運動學計算、軌跡規劃等．下位機由多CPU組成，每個(ge) CPU控製一個(ge) 關(guan) 節運動，這些CPU和主控機聯係是通過總線形式的緊耦合．這種結構的控製器工作速度和控製性能明顯提高．但這些多CPU係統共有的特征都是針對具體(ti) 問題而采用的功能分布式結構，即每個(ge) 處理器承擔固定任務．目前世界上大多數商品化機器人控製器都是這種結構．

控製器計算機控製係統中的位置控製部分，幾乎無例外地采用數字式位置控製．

以上幾種類型的控製器都是采用串行機來計算機器人控製算法．它們(men) 存在一個(ge) 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(chang) 解耦等方法來減輕實時控製中的計算負擔．當機器人在運行中受到幹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．

由於(yu) 機器人控製算法的複雜性以及機器人控製性能的亟待提高，許多學者從(cong) 建模、算法等多方麵進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結構控製器上滿足實時計算的要求．因此，必須從(cong) 控製器本身尋求解決(jue) 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並行計算，提高控製器的計算能力．

2.2　並行處理結構

並行處理技術是提高計算速度的一個(ge) 重要而有效的手段，能滿足機器人控製的實時性要求．從(cong) 文獻來看，關(guan) 於(yu) 機器人控製器並行處理技術，人們(men) 研究較多的是機器人運動學和動力學的並行算法及其實現．1982年J.Y.S.Luh^［3］首次提出機器人動力學並行處理問題，這是因為(wei) 關(guan) 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，計算十分複雜．提高機器人動力學算法計算速度也為(wei) 實現複雜的控製算法如：計算力矩法、非線性前饋法、自適應控製法等打下基礎．開發並行算法的途徑之一就是改造串行算法，使之並行化，然後將算法映射到並行結構．一般有兩(liang) 種方式，一是考慮給定的並行處理器結構，根據處理器結構所支持的計算模型，開發算法的並行性；二是首先開發算法的並行性，然後設計支持該算法的並行處理器結構，以達到最佳並行效率．

構造並行處理結構的機器人控製器的計算機係統一般采用以下方式：

（1）開發機器人控製專(zhuan) 用VLSI[4，5]

設計專(zhuan) 用VLSI能充分利用機器人控製算法的並行性,依靠芯片內(nei) 的並行體(ti) 係結構易於(yu) 解決(jue) 機器人控製算法中大量出現的計算，能大大提高運動學、動力學方程的計算速度．但由於(yu) 芯片是根據具體(ti) 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製器不通用，更不利於(yu) 係統的維護與(yu) 開發．

（2）利用有並行處理能力的芯片式計算機(如：Transputer, DSP等）構成並行處理網絡

Transputer是英國Inmos公司研製並生產(chan) 的一種並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，易於(yu) 構造不同的拓撲結構，且Transputer具有極強的計算能力．利用Transputer並行處理器，人們(men) 構造了各種機器人並行處理器，如流水線型、樹型等．文獻［6］利用Transputer網絡實現逆運動學計算，而文獻［7］以實時控製為(wei) 目的，分別實現了前饋補償(chang) 及計算力矩兩(liang) 種基於(yu) 固定模型的控製方案．

隨著數字信號芯片速度的不斷提高，高速數字信號處理器（DSP）在信息處理的各個(ge) 方麵得到廣泛應用．DSP以極快的數字運算速度見長，並易於(yu) 構成並行處理網絡^［8］．文獻［9］介紹了一種基於(yu) DSP的機器人控製器，采用並行/流水線的設計方案，提高控製器性能．

（3）利用通用的微處理器　　利用通用微處理器構成並行處理結構，支持計算，實現複雜控製策略在線實時計算．如文獻［10，11］中設計的係統．