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、自動控制理論的發展和工業生產的需要及相關技術的進步，機器人的發展已經歷了3代［1］：
（1）可編程的示教再現型機器人；
（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鍵部分之一．它從一定程度上影響著機器人的發展．目前，由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步，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節型工業機器人，控制系統的綜合方法有較大差別，控制器的設計方案也不一樣．本文僅討論工業機器人控制器問題．
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．
2.1 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［2］.
（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, Robot-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Motoman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CPU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．
由于機器人控制算法的復雜性以及機器人控制性能的亟待提高，許多學者從建模、算法等多方面進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結構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［3］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．
構造并行處理結構的機器人控制器的計算機系統一般采用以下方式：
（1）開發機器人控制專用VLSI[4，5]
設計專用VLSI能充分利用機器人控制算法的并行性,依靠芯片內的并行體系結構易于解決機器人控制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．但由于芯片是根據具體的算法來設計的，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制器不通用，更不利于系統的維護與開發．
（2）利用有并行處理能力的芯片式計算機(如：Transputer, DSP等）構成并行處理網絡
Transputer是英國Inmos公司研制并生產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，易于構造不同的拓撲結構，且Transputer具有極強的計算能力．利用Transputer并行處理器，人們構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網絡實現逆運動學計算，而文獻［7］以實時控制為目的，分別實現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）在信息處理的各個方面得到廣泛應用．DSP以極快的數字運算速度見長，并易于構成并行處理網絡［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成并行處理結構，支持計算，實現復雜控制策略在線實時計算．如文獻［10，11］中設計的系統．
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