开放式体系结构的研究现状

开放式体系结构的研究现状

机器人控制器

机器人控制器是将人们在人工智能、控制工程、机构学等领域的理论成果转化成根据各种信息（如传感器等）实现机器人运动等功能的机电装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。机器人控制器的体系结构是指机器人信息处理和控制的总体结构，是机器人系统中所有结构模型及其相互关系的结构化集合，它给出了系统的组成以及实现系统功能的方法和步骤，决定了系统的整体性能。现代科学技术和生产制造业的发展对工业机器人的性能提出了更高的要求。提高机器人性能的主要手段就是提高机器人控制器的性能。

传统的机器人控制器，尤其是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者针对自己独特的机械结构而进行开发的。这样的机器人控制器往往采用了专用计算机、专用的机器人语言、专用的操作系统、专用的微处理器等专用的体系结构。这样的专用化控制器已不能满足现代工业发展的要求。

机器人控制器具有串行结构和并行结构两种类型。串行结构控制器的结构计算能力差，结构封闭，功能单一，难以保证现代高精度机器人控制的实时性要求。所以虽然当今大多数工业机器人都是采用单轴PID 控制，但是仍然难以满足机器人控制的高速、高精度的要求。分布式结构在一定层次上是开放的，可以根据需要增加多个处理器，以满足通讯的需要，但它并非完全开放，而是在有限的范围内开放。提到的“专用计算机、专用机器人语言(如 VAL)、专用微处理器并将控

制算法固定在 EPROM 中”的控制器结构扩展性和灵活性很差，所以难以满足现代工业对于开放性的要求。

并行结构控制器处理速度上有了很大的提高，能够较好的满足控制系统的实时性要求，但是并行处理控制器研究一般集中于机器人运动学、动力学模型的并行处理方面，它是基于并行算法和多处理器结构的映射特征来设计的，也就是说通过分解给定的任务来得到子任务，在处理器上对子任务进行处理。这种并行算法会受到通信、同步等因素的影响，当程序设计不合理的时候，很容易出现通信堵塞与锁死的问题。目前封闭式机器人控制器的缺点可归纳如下：

（1）扩展性差

目前，机器人控制器的研究着重于从关节级来改善和提高机器人控制系统的性能。但是由于其结构的封闭性，难以根据需要对其进行扩展。（2）软件独立性差

由于控制器的硬件是封闭的，专用的，所以构建在其之上的软件系统也必须严格依据系统硬件来进行编制。这样，软件只能应用在特定的机器人处理器平台上，移植性差。

（3）开放性差

“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构使得系统的开放性很差。封闭的控制器结构使其具有特定的功能、能够适应于特定的环境，但是不便于对系统进行扩展和改进。

（4）容错性差

由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步的内在特点，其中某个处

理器出现异常都可能会导致整个系统出现严重的问题，因此这样的封闭性体系结构容错性很差。

开放式体系结构

开发式控制系统的概念出现在 20 世纪 80 年代，采用开放式体系结构构建机器人控制系统的主要思想是：

（1）采用标准计算机系统

采用如 Sun，SGI，PC’s 等标准的计算机系统，可以有效地利用其丰富的软硬件资源，从而为机器人控制器的扩展和开放创造了有利的条件。

（2）采用标准的操作系统

Windows，Unix，VxWorks 等标准的操作系统提供了丰富的软件支持，使得控制器的开发更容易，而且开放程度更高。

（3）采用标准的编程语言

利用 C/C++、JAVA 等标准的编程语言，可以提高软件的通用性。（4）采用标准的总线

采用如 PCI、ISA 等标准的总线，可以方便的为控制系统添加所需的外部设备如运动控制板卡，I/O 卡以及各种传感器等，这样能够大大的提高了系统的可扩展性。

（5）利用网络通讯

通过计算机网络可以实现资源共享和远程通讯，开发基于网络的遥控机器人，能够胜任某些特殊的作业任务。

综上所述，基于开放式体系结构构建的机器人运动控制系统应该具有

如下特点：

（1）开放性好

采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充系统所需的功能，使其可以适用于不同类型机器人或机器人化的自动生产线。（2）模块化

用模块化方法构建的系统不仅性能好、开发周期短，而且成本低。采用模块化设计还便于修改、增删和重构各个模块的功能。

（3）实时性、多任务

机器人控制器必须按照指定的频率响应外部输入信号，这样也必须要求在一个主任务执行的同时，至少有一个采集的任务在执行，这就需要多个任务协调同步进行。

（4）网络通讯和标准接口

利用网络通讯的功能实现资源共享和多台机器人协同工作。工业 PC 机具有标准的接口，为其打破现有机器人控制器的封闭性打下了良好的基础。