什么是機(jī)器人控制系統(tǒng)

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(fā)出神經(jīng)信號，驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣，如果機(jī)器人只有傳感器和驅(qū)動器，機(jī)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(qū)動電動機(jī)也得不到驅(qū)動電壓和電流，所以機(jī)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(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動機(jī)械臂中的各臺電動機(jī)就像我們?nèi)说幕顒有枰蕾囎陨淼母泄僖粯?，機(jī)器人的運(yùn)動控制離不開傳感器。機(jī)器人需要用傳感器來檢測各種狀態(tài)。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器信號被用來反映機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，機(jī)器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環(huán)境的變化。

所以機(jī)器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)包含哪些方面？

執(zhí)行機(jī)構(gòu)----伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)；

驅(qū)動機(jī)構(gòu)----伺服或者步進(jìn)驅(qū)動器；

控制機(jī)構(gòu)----運(yùn)動控制器，做路徑和電機(jī)聯(lián)動的算法運(yùn)算控制；

控制方式----有固定執(zhí)行動作方式的，那就編好固定參數(shù)的程序給運(yùn)動控制器；如果有加視覺系統(tǒng)或者其他傳感器的，根據(jù)傳感器信號，就編好不固定參數(shù)的程序給運(yùn)動控制器。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能

控制機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動位置（即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過的點(diǎn)和移動路徑）；

控制機(jī)械臂的運(yùn)動姿態(tài)（即控制相鄰兩個活動構(gòu)件的相對位置）；

控制運(yùn)動速度（即控制末端執(zhí)行器運(yùn)動位置隨時間變化的規(guī)律）；

控制運(yùn)動加速度（即控制末端執(zhí)行器在運(yùn)動過程中的速度變化）；

控制機(jī)械臂中各動力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩：（即控制對操作對象施加的作用力）；

具備操作方便的人機(jī)交互功能，機(jī)器人通過記憶和再現(xiàn)來完成規(guī)定的任務(wù)；

使機(jī)器人對外部環(huán)境有檢測和感覺功能。工業(yè)機(jī)器人配備視覺、力覺、觸覺等傳感器進(jìn)行測量、識別，判斷作業(yè)條件的變化。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心，國外有關(guān)公司對我國實(shí)行嚴(yán)密封鎖。近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)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(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處理器。高性價比的微處理器為機(jī)器人控制器帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，使開發(fā)低成本、高性能的機(jī)器人控制器成為可能。為了保證系統(tǒng)具有足夠的計算與存儲能力，目前機(jī)器人控制器多采用計算能力較強(qiáng)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(jī)器人系統(tǒng)在價格、性能、集成度和接口等方面的要求，這就產(chǎn)生了機(jī)器人系統(tǒng)對SoC（SystemonChip）技術(shù)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(tǒng)外圍電路的設(shè)計，縮小系統(tǒng)尺寸，并降低成本。例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上，形成了一個完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人運(yùn)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(chǎn)品，如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運(yùn)動控制器以DSP技術(shù)為核心，采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu)。

2、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

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

3、控制軟件開發(fā)環(huán)境

在機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境方面，一般工業(yè)機(jī)器人公司都有自己獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和獨(dú)立的機(jī)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(xué)在機(jī)器人開發(fā)環(huán)境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，可在部分機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行集成和控制操作，目前已在實(shí)驗室環(huán)境下進(jìn)行了許多相關(guān)實(shí)驗。國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境有TeamBots，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、MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、FlowDesigner.v.0.9.0、RobotFlow.v.0.2.6等等。從機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，對機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境有兩方面的需求。一方面是來自機(jī)器人最終用戶，他們不僅使用機(jī)器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機(jī)器人更多的功能，這種編程往往是采用可視化編程語言實(shí)現(xiàn)的，如樂高M(jìn)indStormsNXT的圖形化編程環(huán)境和微軟RoboticsStudio提供的可視化編程環(huán)境。

4、機(jī)器人專用操作系統(tǒng)

（1）VxWorks，VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通信；微秒級的中斷處理；支持POSIX1003．1b實(shí)時擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

（2）WindowsCE，WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。WindowsCE為建立針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)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(yīng)用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費(fèi)的?？梢陨约有薷暮髴?yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有龐大的開發(fā)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(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)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(qū)動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)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(shí)時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號處理器（DSP）。它的主要特點(diǎn)是公開源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內(nèi)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(shè)計開發(fā)的一個尺寸可裁剪的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發(fā)工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實(shí)時內(nèi)核；實(shí)時分析工具；芯片支持庫。利用實(shí)時操作系統(tǒng)開發(fā)程序，可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜的DSP程序。

5、機(jī)器人伺服通信總線技術(shù)

目前國際上還沒有專用于機(jī)器人系統(tǒng)中的伺服通信總線，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常根據(jù)系統(tǒng)需求，把常用的一些總線，如以太網(wǎng)、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于機(jī)器人系統(tǒng)中。當(dāng)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(qū)動技術(shù)的串行總線技術(shù)和基于實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的高速串行總線技術(shù)。

智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

(1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器(RC)，運(yùn)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(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)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(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅(qū)動層、核心層和應(yīng)用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內(nèi)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(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。

(3)機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過各種信息，對機(jī)器人故障進(jìn)行

診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

(4)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要?？刂破魃暇哂写凇F(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。可用于機(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊，便于對機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。

盤點(diǎn)國內(nèi)10大領(lǐng)先控制器廠商

1、華中數(shù)控

2013年為進(jìn)一步拓展數(shù)控一代產(chǎn)業(yè)鏈，華中數(shù)控公司全資子公司深圳華中數(shù)控有限公司的名稱將變更為深圳華數(shù)機(jī)器人有限公司，其經(jīng)營范圍增加機(jī)器人的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售業(yè)務(wù)。華中數(shù)控總裁表示公司的業(yè)務(wù)一直是圍繞工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動和電機(jī)展開，而這也正是工業(yè)機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域。“我們的目的就是想利用自身成熟的技術(shù)，從市場需求出發(fā)，提供最優(yōu)的機(jī)器人解決方案?！?/p>

其實(shí)早在1999年，華中數(shù)控就開發(fā)出了華中I型機(jī)器人的控制系統(tǒng)和教育機(jī)器人。經(jīng)過近二十年發(fā)展，華中數(shù)控目前已掌握了多項機(jī)器人控制和伺服電機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)，在控制器、伺服驅(qū)動器和電機(jī)這三大核心部件領(lǐng)域均具備了很大的技術(shù)優(yōu)勢。

作為高端數(shù)控系統(tǒng)龍頭企業(yè)的華中數(shù)控，擁有數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動及電機(jī)等核心技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)，此次搶抓重慶機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策的契機(jī)，將拓展包括重慶在內(nèi)的西部市場。就市場容量看，重慶汽車、電子兩大支柱產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人整機(jī)需求量巨大;化工、裝備制造、采礦等行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求也不斷增多，市場潛力值得期待。

2.新松機(jī)器人

新松公司隸屬中國科學(xué)院，是一家以機(jī)器人獨(dú)有技術(shù)為核心，致力于數(shù)字化智能高端裝備制造的高科技上市企業(yè)。公司的機(jī)器人產(chǎn)品線涵蓋工業(yè)機(jī)器人、潔凈(真空)機(jī)器人、移動機(jī)器人、特種機(jī)器人及智能服務(wù)機(jī)器人五大系列，其中工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品填補(bǔ)多項國內(nèi)空白，創(chuàng)造了中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yè)，是國際上機(jī)器人產(chǎn)品線最全廠商之一，也是國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)。

SIASUN-GRC機(jī)器人控制器是沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司具有自主版權(quán)、自主開發(fā)的實(shí)用化、商品化的機(jī)器人控制器，該機(jī)器人控制器設(shè)計合理、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越、系統(tǒng)可靠、使用方便。采用交流伺服驅(qū)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(shù)，形成了先進(jìn)的高性能機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，是國內(nèi)第一個可商品化的機(jī)器人控制器，具有小批量生產(chǎn)能力。目前已作為RH6-A弧焊機(jī)器人的配套控制器，已批量生產(chǎn)。

高性能機(jī)器人控制器采用32位計算機(jī)全數(shù)字控制，整個系統(tǒng)采用開放式和模塊化結(jié)構(gòu)。在硬件上，采用全新設(shè)計的計算機(jī)控制系統(tǒng)、控制柜和編程示教盒。在軟件上，采用軟件工程的思想，實(shí)現(xiàn)以功能鍵驅(qū)動的全菜單操作的漢字機(jī)器人操作系統(tǒng)。以我公司自主開發(fā)的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并進(jìn)行了進(jìn)一步的升級和更新，功能更強(qiáng)大，操作更簡便。該系統(tǒng)具有下列特點(diǎn):

主計算機(jī)采用工業(yè)級486DX4-100微型單板計算機(jī)，具有可靠性高，運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

可適用于不同的機(jī)器人本體、機(jī)器人軸數(shù)和應(yīng)用背景，具有較大的靈活性

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和多個變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，改善了圓弧的插補(bǔ)精度，內(nèi)嵌PLC功能。

SIASUN-GRC機(jī)器人控制器為通用機(jī)器人控制器，完全可以應(yīng)用于其他的場合。SIASUN-GRC機(jī)器人控制器已經(jīng)投入小批量生產(chǎn)，要想大規(guī)模生產(chǎn)機(jī)器人控制器產(chǎn)品，需在保證產(chǎn)品質(zhì)量下，如何降低機(jī)器人控制器的成本。解決機(jī)器人控制器關(guān)鍵元部件的國產(chǎn)化，即提高機(jī)器人產(chǎn)品的國產(chǎn)化率是當(dāng)務(wù)之急?！?/p>

3.新時達(dá)

基于自身在運(yùn)動控制和驅(qū)動領(lǐng)域的研究成果，新時達(dá)確定了運(yùn)動控制和工業(yè)機(jī)器人的業(yè)務(wù)發(fā)展方向。機(jī)器人是工業(yè)自動化控制的最高端產(chǎn)品之一，是最具有代表性的控制、驅(qū)動、執(zhí)行一體化產(chǎn)品，新時達(dá)研發(fā)成功基于以太網(wǎng)總線技術(shù)的高性能嵌入式運(yùn)動控制器和伺服系統(tǒng)等為機(jī)器人產(chǎn)品的市場迅速推廣提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺。

自成立以來，新時達(dá)始終致力于工業(yè)自動化控制產(chǎn)品的研發(fā)、制造和銷售。公司主營業(yè)務(wù)分三大類，一類是電梯控制產(chǎn)品以及電梯物聯(lián)網(wǎng)，主要包括電梯控制成套系統(tǒng)以及相關(guān)配件產(chǎn)品，廣泛適用于各類電梯的制造、更新以及維修保養(yǎng);第二類是節(jié)能與工業(yè)傳動類產(chǎn)品，主要包括高、低壓各類工業(yè)控制變頻器、電梯專用變頻器、電梯一體化驅(qū)動控制器等，廣泛適用于電梯、起重、港口機(jī)械、橡塑、冶金、礦山、電力、市政、水泥、包裝印刷、空壓機(jī)、機(jī)床等各個行業(yè);第三類是機(jī)器人與運(yùn)動控制類產(chǎn)品，主要包括六自由度工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品、機(jī)器人控制器、機(jī)器人專用伺服系統(tǒng)、總線及脈沖型各類通用交流伺服系統(tǒng)等，應(yīng)用于電梯、食品加工、包裝、電子加工、數(shù)控機(jī)床等各類設(shè)備，以及搬運(yùn)、焊接、打磨、切割等各個制造環(huán)節(jié)。

近期，新時達(dá)擬以發(fā)行股份及支付現(xiàn)金相結(jié)合的方式購買深圳眾為興技術(shù)股份有限公司，眾為興在運(yùn)動控制技術(shù)、機(jī)器人算法、伺服驅(qū)動技術(shù)等方面擁有多項核心技術(shù)，擁有領(lǐng)先的研發(fā)機(jī)構(gòu)與完整的質(zhì)量保證體系,已通過ISO9001及CMMI3級軟件企業(yè)能力成熟度模型認(rèn)證，是我國最早一批擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的運(yùn)動控制類產(chǎn)品設(shè)計、制造的高新技術(shù)企業(yè)。

新時達(dá)在機(jī)器人領(lǐng)域正謀求快速發(fā)展。該公司3月24日在深交所互動易表示，公司已自主研發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)的機(jī)器人控制器，并成功運(yùn)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(shè)立，專注、誠信的企業(yè)經(jīng)營理念和改革開放的良好市場環(huán)境，使埃斯頓自動化一步一步成長和壯大，今天已經(jīng)成為國內(nèi)高端智能機(jī)械裝備及其核心控制和功能部件制造業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)之一。

目前埃斯頓自動化已經(jīng)形成包括金屬成形機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)及運(yùn)動控制系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人及成套設(shè)備等四大類產(chǎn)品，目前除了在數(shù)控金屬成形機(jī)床行業(yè)擁有較大市場份額和埃斯頓工業(yè)機(jī)器人全部配備外，還廣泛用于各種智能專用裝備制造行業(yè)，如紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械和電子機(jī)械等，是行業(yè)內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)，具有較高的行業(yè)知名度和影響力。工業(yè)機(jī)器人及成套設(shè)備作為公司控制系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的延伸，符合市場需求發(fā)展的大勢，具有較強(qiáng)的技術(shù)和成本優(yōu)勢，將成為在智能裝備核心領(lǐng)域挑戰(zhàn)國際巨頭的主力軍。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品具備六軸通用機(jī)器人、四軸碼垛機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、DELTA機(jī)器人、伺服機(jī)械手等系列。及其自動化工程完整解決方案;上述產(chǎn)品現(xiàn)已應(yīng)用到機(jī)床、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、電子機(jī)械等機(jī)械裝備的自動化控制，以及焊接、機(jī)械加工、搬運(yùn)、裝配、分揀、噴涂等領(lǐng)域的智能化生產(chǎn)。

為配合公司下幾年發(fā)展戰(zhàn)略，南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司已正式運(yùn)行。該公司將以推動中國工業(yè)機(jī)器人民族產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo)，充分發(fā)揮公司已有控制系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)和成本優(yōu)勢，拓展下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間，致力于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蛧a(chǎn)化，爭取通過數(shù)年的努力，建立一個具有國際知名度的埃斯頓工業(yè)機(jī)器人品牌和業(yè)界著名公司，成為公司繼金屬成形機(jī)床鍛壓自動化產(chǎn)品線、電液伺服產(chǎn)品線、交流伺服系統(tǒng)及運(yùn)動控制系統(tǒng)產(chǎn)品線后的第四條公司產(chǎn)品線，為公司下幾年的高速發(fā)展集聚新的推動力。

5.匯川技術(shù)

富士康的生產(chǎn)線使用大量自動化產(chǎn)品，包括伺服、變頻器、PLC等，公司產(chǎn)品已經(jīng)在富士康生產(chǎn)線上取得大量應(yīng)用。公司稱，公司會持續(xù)跟進(jìn)富士康在大陸工廠的項目。公司董秘宋君恩認(rèn)為分析認(rèn)為，機(jī)器人專用控制器的生產(chǎn)，說明公司開始向高端的機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展。分析人士稱匯川技術(shù)研發(fā)專用機(jī)器人控制器舉措，使該公司產(chǎn)品具有更多機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展空間。

6月4日匯川技術(shù)在投資者關(guān)系活動記錄顯示，公司正在研制專供機(jī)器人使用的專用控制器，預(yù)計樣機(jī)會在2014年底或2015年初推出。

匯川技術(shù)本身做伺服驅(qū)動起家，從廣義上不論是伺服系統(tǒng)、控制器、PLC等技術(shù)產(chǎn)品都可以應(yīng)用于機(jī)器人上，與富士康的合作中，這些產(chǎn)品都被廣泛應(yīng)用，在富士康生產(chǎn)線上的一些自動化或無人化設(shè)備、機(jī)械手中都能找到匯川技術(shù)生產(chǎn)的部件。機(jī)器人專用控制器的生產(chǎn)說明公司開始向高端的機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展。

一位獨(dú)立分析人士表示，匯川技術(shù)現(xiàn)在所涉及的已有伺服電機(jī)技儲備、機(jī)器人專用控制器技術(shù)的研發(fā)、未來可能實(shí)現(xiàn)的控制器量產(chǎn)以及是否有進(jìn)行機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈豐富的可能，與富士康曾公布并引發(fā)外界廣泛關(guān)注的百萬機(jī)器人大軍計劃似乎相得益彰。匯川技術(shù)這項向高端機(jī)器人進(jìn)軍的舉措，使該公司未來在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中具有更大發(fā)展空間。

6.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司(GSK)中國南方數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地，國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的專業(yè)成套機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商。公司秉承科技創(chuàng)新，以核心技術(shù)為動力，以追求卓越品質(zhì)為目標(biāo)，以提高用戶生產(chǎn)力為先導(dǎo)，主營業(yè)務(wù)有：數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、伺服電機(jī)研發(fā)生產(chǎn)，數(shù)控機(jī)床連鎖營銷、機(jī)床數(shù)控化工程，工業(yè)機(jī)器人、精密數(shù)控注塑機(jī)研制，數(shù)控高技能人才培訓(xùn)。

GSK是國內(nèi)最大的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)基地、科研開發(fā)人員800多人、年投入科研經(jīng)費(fèi)占銷售收入8%以上，年新產(chǎn)品收入占總銷售的75%以上。GSK擁有國內(nèi)一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程，年產(chǎn)銷數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)10年全國第一，占國內(nèi)同類產(chǎn)品市場的1/2份額。公司科學(xué)規(guī)范的質(zhì)量控制體系保證每套產(chǎn)品合格出品。

GSK擁有完善的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和一流的服務(wù)團(tuán)隊，全方位、多層次、科學(xué)高效的服務(wù)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(yīng)。

GSK廣州數(shù)控以“打造百年企業(yè)、鑄就金質(zhì)品牌”的企業(yè)理念和“精益求精，讓用戶滿意”的服務(wù)精神，通過持續(xù)不斷的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新為提升用戶產(chǎn)品價值和效益，為推動數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品國產(chǎn)化過程不懈努力。

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司主營業(yè)務(wù)包括工業(yè)機(jī)器人，其產(chǎn)品應(yīng)用于搬運(yùn)、弧焊、涂膠、切割、噴漆、科研及教學(xué)、機(jī)床加工上下料等領(lǐng)域。該公司一位人士說，機(jī)械行業(yè)中的噴涂、搬運(yùn)、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(shè)計、制造、銷售于一體，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人運(yùn)動控制科技企業(yè)。公司長期致力于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制器、機(jī)器人視覺、各種非標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)和復(fù)雜軌跡運(yùn)動控制系統(tǒng)研發(fā)，制造。

深圳市華盛控科技有限公司主營運(yùn)動控制卡、控制器、人機(jī)界面、機(jī)器視覺、DELTA機(jī)器人控制系統(tǒng)、SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)、六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、復(fù)雜軌跡控制系統(tǒng)、各種數(shù)控系統(tǒng)等,承接數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，專用運(yùn)動控制系統(tǒng)開發(fā)、專用控制器開發(fā)、圖形圖像軟件開發(fā)等，也可以承擔(dān)數(shù)控設(shè)備改造項目。

華盛控產(chǎn)品有自主六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人，四軸關(guān)節(jié)機(jī)器人，四軸并聯(lián)(DELTA)機(jī)器人，六軸并聯(lián)(DELTA)機(jī)器人，三至六軸聯(lián)動機(jī)器人控制器，各種機(jī)器人控制系統(tǒng)和軟件，華盛控科技的產(chǎn)品都是以運(yùn)動控制技術(shù)及機(jī)器視覺技術(shù)相結(jié)合，為客戶提供更精確更智能化自動設(shè)備。

華盛控高速并聯(lián)DELTA機(jī)器人是目前國內(nèi)速度最快，系統(tǒng)最穩(wěn)定的高速分揀機(jī)器人，主要應(yīng)用于電子組裝、醫(yī)藥制造分揀、加工設(shè)備產(chǎn)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(yè)。

8.廣泰數(shù)控

成都廣泰數(shù)控設(shè)備有限公司(廣泰數(shù)控)是一家專業(yè)從事數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動電源、工業(yè)機(jī)器人研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新科技民營企業(yè)。公司位于成都市武侯區(qū)武興三路13號，創(chuàng)立于1997年。

目前，公司已形成數(shù)控系統(tǒng)配套、機(jī)床數(shù)控化改造、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)人才開發(fā)等多元化產(chǎn)業(yè)布局，成為中國數(shù)控行業(yè)中產(chǎn)品檔次最高、發(fā)展速度最快的企業(yè)之一。

公司立足于發(fā)展和創(chuàng)新數(shù)控技術(shù)，實(shí)施數(shù)控技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略。計劃在將來完成工業(yè)機(jī)器人裝配基地、數(shù)控產(chǎn)品生產(chǎn)基地、全國最大的機(jī)床數(shù)控化大修改造基地和學(xué)生數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地的籌備與建設(shè)

CCR工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)則采用工業(yè)控制PCWindowsXPE的控制方式，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)管理、運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等功能;由FPGA實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的位置、速度信息的傳遞功能;采用總線結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)通信和對運(yùn)動中干擾的實(shí)時處理。該系統(tǒng)采用了計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線，可擴(kuò)展各種工業(yè)現(xiàn)場總線和各種傳感設(shè)備，可進(jìn)行智能控制，系統(tǒng)的維護(hù)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(xué)。創(chuàng)立者為自動化和微電子領(lǐng)域的國際知名專家、學(xué)者。具有多年在加利福尼亞大學(xué)(UCBerkeley)、麻省理工學(xué)院(MIT)、貝爾實(shí)驗室(BellLab)等國際一流科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)和管理經(jīng)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(yùn)動控制及機(jī)電一體化領(lǐng)域卓有建樹的科技精英，致力于運(yùn)動控制、圖像與視覺傳感、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計、伺服驅(qū)動等工業(yè)自動化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，自主研發(fā)的基于PC的開放式運(yùn)動控制器、嵌入式運(yùn)動控制器、網(wǎng)絡(luò)式運(yùn)動控制器、計算機(jī)可編程自動化控制器產(chǎn)品與系統(tǒng)，綜合性能已達(dá)到了國際一流水平，填補(bǔ)了國內(nèi)同行業(yè)的多項空白。固高科技的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電子加工和檢測設(shè)備、激光加工設(shè)備、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、服裝加工機(jī)械、生產(chǎn)自動化等工業(yè)控制領(lǐng)域。

作為國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的自動控制產(chǎn)品供應(yīng)商，固高科技是國家級高新技術(shù)企業(yè)，廣東省產(chǎn)學(xué)研示范基地,“深港創(chuàng)新圈”裝備制造核心技術(shù)平臺，深圳市唯一的運(yùn)動控制技術(shù)工程中心承擔(dān)企業(yè)。固高科技的國內(nèi)營銷服務(wù)網(wǎng)絡(luò)已遍及北京、上海、武漢、成都、長春、濟(jì)南、青島、西安、南寧等各大城市，為客戶提供快速、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。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(qū)。

10.卡諾普

成都卡諾普自動化控制技術(shù)有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的技術(shù)型公司，于2005年開始研發(fā)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其核心研發(fā)人員都有十年以上的運(yùn)動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)的從業(yè)經(jīng)驗，2007年研制出第一代工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，并開始逐步在國內(nèi)市場應(yīng)用，并與國內(nèi)知名工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠商和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用廠商合作，是國內(nèi)最早

把國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)踐的公司之一。通過市場的反饋和認(rèn)識，對機(jī)器人的運(yùn)動控制、機(jī)器人裝配生產(chǎn)、工程應(yīng)用有深刻的認(rèn)識。于2010年推出第二代機(jī)器人控制系統(tǒng)：CRP-S40(4軸)和CRP-S80(8軸)兩種系統(tǒng)，在2011年完成了標(biāo)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(nèi)的市場需求。我們宗旨是為客戶提供可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。

第二代系統(tǒng)采用國際流行的開放式軟硬件平臺。配以自主研發(fā)的專用多軸運(yùn)動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡及機(jī)器人專用端子及安全接口，模塊化的軟件設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)總線可擴(kuò)展現(xiàn)場總線、機(jī)器視覺系統(tǒng)等。可實(shí)現(xiàn)垂直多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人、垂直多關(guān)節(jié)平行四邊形機(jī)器人、垂直多關(guān)節(jié)L形手腕機(jī)器人、垂直多關(guān)節(jié)球形手腕機(jī)器人、極坐標(biāo)機(jī)器人、Delta機(jī)器人等多類機(jī)器人的控制?？煽刂茩C(jī)器人應(yīng)用在搬運(yùn)、焊接、噴涂、碼垛、切割、拋光打磨等領(lǐng)域。

機(jī)器人控制架構(gòu)

如果說驅(qū)動子系統(tǒng)是機(jī)器人的肌肉，能源子系統(tǒng)是機(jī)器人的心臟，那么控制和決策子系統(tǒng)就是機(jī)器人的大腦。這是機(jī)器人最重要、最復(fù)雜的一個子系統(tǒng)。

機(jī)器人是一種高度復(fù)雜的自動化裝置。其控制子系統(tǒng)也是直接來源于自動化領(lǐng)域的其他應(yīng)用，例如工廠自動化領(lǐng)域中所用到的處理器、電路以及標(biāo)準(zhǔn)。本章僅僅列舉并對比了幾種常見的、典型的控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后分析了幾個典型的機(jī)器人控制子系統(tǒng)的構(gòu)成，特別是詳細(xì)說明了“創(chuàng)意之星”機(jī)器人的控制架構(gòu)。

典型的幾種機(jī)器人控制架構(gòu)(ARCHITECHURE)

這里我們不討論傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，主要關(guān)注的是自主移動機(jī)器人、仿生機(jī)器人等新形態(tài)的機(jī)器人。通常，機(jī)器人的架構(gòu)是指如何把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動等多種模塊有機(jī)地結(jié)合起來，從而在動態(tài)環(huán)境中，完成目標(biāo)任務(wù)的一個或多個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架。總的說來，當(dāng)前自主機(jī)器人的控制架構(gòu)可分為下述幾類：

1.程控架構(gòu)，又稱規(guī)劃式架構(gòu)，即根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)規(guī)劃器給出一個行為動作的序列，按部就班地執(zhí)行。較復(fù)雜的程控模型也會根據(jù)傳感器的反饋對控制策略進(jìn)行調(diào)整，例如在程序的序列中采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”這樣的方法。

2.包容式架構(gòu)和基于行為的控制模型，又稱為反應(yīng)式模型，復(fù)雜任務(wù)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(biāo)的一個方面進(jìn)行控制。基于行為的機(jī)器人系統(tǒng)對周圍環(huán)境的變化能作出快速的響應(yīng)，實(shí)時性好，但它沒有對任務(wù)做出全局規(guī)劃，因而不能保證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是最優(yōu)的。

3.混合式架構(gòu)，是規(guī)劃和基于行為的集成體系，不僅對環(huán)境的變化敏感，而且能確保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)效率。通?；旌鲜郊軜?gòu)有兩種模式：一種模式是，決策系統(tǒng)的大框架是基于規(guī)劃的，在遇到動態(tài)情況時再由行為模型主導(dǎo)；另一種模式是，決策系統(tǒng)的大框架基于行為，在具體某些行為中采用規(guī)劃模型?？傊?，混合式架構(gòu)的設(shè)計目的是盡可能綜合程控架構(gòu)和包容式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)。

下面幾小節(jié)對以上三種架構(gòu)進(jìn)行初步的討論。更進(jìn)一步的資料，請參閱相關(guān)文獻(xiàn)。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(gòu)

傳統(tǒng)的機(jī)器人大都是工業(yè)機(jī)器人。他們通常工作在流水線的一個工位上，每個機(jī)器人的位置是已知、確定的；設(shè)計者在每臺機(jī)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(jī)器人的控制就變成了數(shù)值計算，或者說“符號化”的計算。例如，我們通過實(shí)地測量可以得到一臺搬運(yùn)機(jī)器人的底座的坐標(biāo)；再通過空間機(jī)構(gòu)幾何學(xué)的計算（空間機(jī)器人的正解、逆解），可以得到機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)處于什么樣的位置的時候其末端的搬運(yùn)裝置可以到達(dá)給定位置。這樣，機(jī)器人控制策略設(shè)計者是在一個靜態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的、符號化的環(huán)境中編寫策略；他不需要考慮太多的突發(fā)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(yīng)該被搬運(yùn)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(jī)器人通常由一個單獨(dú)的控制器。這個控制器收集從機(jī)器人各個關(guān)節(jié)、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(jī)器人下一步的工作。整個機(jī)器人是在這個控制器的控制下運(yùn)作，對于一些異常的處理也在程序的設(shè)定范圍內(nèi)。下圖是兩個典型的采用集中式系統(tǒng)架構(gòu)的移動機(jī)器人框圖。左側(cè)的框圖的控制器是一臺PC機(jī)，它擔(dān)負(fù)了所有的信息采集、處理和控制功能；右圖是經(jīng)過改進(jìn)的機(jī)器人架構(gòu)：在PC機(jī)之外，增加了一個DSP控制器，承擔(dān)了PC機(jī)的部分工作。但是，這兩種架構(gòu)下控制器的負(fù)擔(dān)都相當(dāng)重，并且如果控制器出現(xiàn)故障，整個機(jī)器人將會癱瘓。

對于上面描述的工作內(nèi)容，程控式、集中控制式結(jié)構(gòu)是非常理想的。如前所述，機(jī)器人不會遇到太多動態(tài)的、非符號化的環(huán)境變化，并且控制器能夠得到足夠多的、準(zhǔn)確的環(huán)境信息。設(shè)計者可以在機(jī)器人工作前預(yù)先設(shè)計好最優(yōu)的策略，然后讓機(jī)器人開始工作，過程中只需要處理一些可以預(yù)料到的異常事件。

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

集中式程控架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jī)器人、在未知環(huán)境中工作的機(jī)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(fā)達(dá)（甚至沒有大腦），反而具有一個很發(fā)達(dá)的脊索或者很奪個神經(jīng)節(jié)。大部分是這些分布在全身的神經(jīng)節(jié)在主導(dǎo)它們的活動和反應(yīng)，而不是大腦。

讀者在中學(xué)生物課中應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(shí)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(shè)想一個具有人類全部功能的機(jī)器人。它有數(shù)百個電動機(jī)對應(yīng)人類的數(shù)百塊肌肉，有數(shù)萬個傳感器，對應(yīng)人類的皮膚、眼睛、鼻子和耳朵等。如果采用集中式控制架構(gòu)，這個機(jī)器人的大腦將很難負(fù)荷如此龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和決策。

因此對于工業(yè)機(jī)器人之外的其他機(jī)器人，發(fā)展出了分層式控制架構(gòu)、包容式架構(gòu)，以及混合式架構(gòu)等更適合其特點(diǎn)的控制架構(gòu)。

1.2分層式架構(gòu)(LAYEREDARCHITECTURE)

分層式架構(gòu)是隨著分布式控制理論和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)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(jié)點(diǎn)組成，主控制器和節(jié)點(diǎn)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(jīng)在其各自的節(jié)點(diǎn)被處理、符號化，再傳遞給主控制器來進(jìn)行決策判斷。單個節(jié)點(diǎn)分布式控制模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在大型工廠、樓宇等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳感器和執(zhí)行器很多的場合中。

分層式架構(gòu)是基于認(rèn)知的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）模型，因此也稱之為基于知識的架構(gòu)。在AI模型中，智能任務(wù)由運(yùn)行于模型之上的推理過程來實(shí)現(xiàn)，它強(qiáng)調(diào)帶有環(huán)境模型的中央規(guī)劃器，它是機(jī)器人智能不可缺少的組成部分，而且該模型必須準(zhǔn)確、一致。分層式架構(gòu)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(tǒng)中不同功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能層次劃分，即得到了分層式架構(gòu)。

分層式架構(gòu)中最有代表性的是由20世紀(jì)80年代智能控制領(lǐng)域著名學(xué)者Saridis提出的三層模型。Saridis認(rèn)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(jié)構(gòu)按功能分為三個層次，即執(zhí)行級、協(xié)調(diào)級和組織級。其中，組織級是系統(tǒng)的“大腦”，它以人工智能實(shí)現(xiàn)在任務(wù)組織中的認(rèn)知、表達(dá)、規(guī)劃和決策；協(xié)調(diào)級是上層和下層的智能接口，它以人工智能和運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)對下一層的協(xié)調(diào)，確定執(zhí)行的序列和條件；執(zhí)行級是以控制理論為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高精度的控制要求，執(zhí)行確定的運(yùn)動。需要指出的是，這僅僅是一個概念模型，實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)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(jīng)過內(nèi)外狀態(tài)的形勢評估、歸納，逐層向上，且在高層進(jìn)行總體決策；高層接受總體任務(wù)，根據(jù)信息系統(tǒng)提供的信息進(jìn)行規(guī)劃，確定總體策略，形成宏觀命令，再經(jīng)協(xié)調(diào)級的規(guī)劃設(shè)計，形成若干子命令和工作序列，分配給各個控制器加以執(zhí)行。

在分層式架構(gòu)中，最廣泛遵循的原則是依據(jù)時間和功能來劃分架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)局（NBS）提出的NASREM的結(jié)構(gòu)。其出發(fā)點(diǎn)之一是考慮到一個智能機(jī)器人可能有作業(yè)手、通訊、聲納等多個被控分系統(tǒng)，而這樣的機(jī)器人可能組成一個組或組合到更高級的系統(tǒng)中，相互協(xié)調(diào)工作；出發(fā)點(diǎn)之二是考慮已有的單元技術(shù)和正在研究的技術(shù)可以應(yīng)用到這一系統(tǒng)中來，包括現(xiàn)代控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等。整個系統(tǒng)橫向上分成信息處理、環(huán)境建模和任務(wù)分解三列，縱向上分為坐標(biāo)變換與伺服控制、動力學(xué)計算、基本運(yùn)動、單體任務(wù)、成組任務(wù)和總?cè)蝿?wù)六層，所有模塊共享一個全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，如下圖所示。

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

1.3包容式架構(gòu)(SUBSUMPTIONARCHITECTURE)

假設(shè)我們的機(jī)器人是在一個虛擬的環(huán)境中運(yùn)行。這個虛擬的環(huán)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(jī)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(jī)器人的所處位置，以及他與周圍環(huán)境的相對關(guān)系，從而根據(jù)程序作出決策。

但是事實(shí)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(huán)境；超聲聲納返回的數(shù)據(jù)有時候會產(chǎn)生很大的誤差，甚至激烈地跳變；當(dāng)機(jī)器人啟動和停下的時候，它的輪子是一定會打滑的。由于機(jī)器人所處的真實(shí)世界主要為非結(jié)構(gòu)化的動態(tài)環(huán)境，往往會遇到事先完成的程序規(guī)劃說沒有考慮到的問題。這樣的環(huán)境下，我們遇到的情況往往是，預(yù)先規(guī)劃好的決策程序，在實(shí)際中會遇到各種各樣的麻煩而根本無法像我們設(shè)想的那樣工作。

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

1、環(huán)境的復(fù)雜性和環(huán)境模型的誤差；

2、環(huán)境的不可預(yù)知性；

3、對環(huán)境感知不精確帶來的不穩(wěn)定性。

程控架構(gòu)解決不了后兩個問題。而通過包容式架構(gòu)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(gòu)之間的差別，我們舉一個簡單的例子（可能不太貼切）：假設(shè)有一臺掃地機(jī)器人，它的任務(wù)是要走遍整個房間，同時把房間打掃干凈。如果我們采用規(guī)劃模型完成這個任務(wù)，那么機(jī)器人可能會按照預(yù)先設(shè)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(guī)劃的時候忽略了的椅子，那么這個機(jī)器人很可能就會偏航，從而永遠(yuǎn)無法完成掃地的任務(wù)；如果采用基于行為的模型，那么機(jī)器人可能會到處亂走，并根據(jù)碰到的情況調(diào)整行走的方向，但是最終這個機(jī)器人也能夠磕磕碰碰地完成打掃房間的任務(wù)。

分層式結(jié)構(gòu)能夠較好地解決智能和控制精度的關(guān)系，創(chuàng)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(jié)構(gòu)在靈活性、實(shí)時性和適應(yīng)性方面經(jīng)常存有缺陷。

針對上述缺點(diǎn)，美國麻省理工學(xué)院的R.Brooks從研究移動機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了基于行為的體系結(jié)構(gòu)―包容式體系結(jié)構(gòu)（SubsumptionArchitecture）。與分層式體系結(jié)構(gòu)把系統(tǒng)分解成功能模塊，并按感知―規(guī)劃―行動（Sense-Planning-Action，SPA）過程進(jìn)行構(gòu)造的串行結(jié)構(gòu)不同（如下圖所示）；

包容式體系結(jié)構(gòu)是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為（Sense-Action，SA）之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)（如下圖所示）。在包容式結(jié)構(gòu)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(wù)；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(nèi)部控制與上層無關(guān)，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(fù)責(zé)機(jī)器人某一特定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)或維護(hù)，如跟蹤目標(biāo)或避障等。多個行為往往可能產(chǎn)生互相沖突的控制輸出命令。因而系統(tǒng)首先需解決的一個問題是多行為的協(xié)作，即通過構(gòu)造有效的多行為活動協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)合理一致的整體行為。

同樣以上面的掃地機(jī)器人為例子。我們可以把“打掃整個房間”分解為“前進(jìn)并掃地”、“避開左側(cè)障礙物”、“避開右側(cè)障礙物”、“避開前方障礙物”這幾個基本的行為。機(jī)器人一開始對自己的任務(wù)不做任何規(guī)劃，只是簡單地前進(jìn)。當(dāng)遇到障礙物時，相應(yīng)的行為被激活，產(chǎn)生一個給驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，執(zhí)行相應(yīng)的動作。再通過一個合理的仲裁器（例如一個FSM狀態(tài)機(jī)），來決定如果多種行為產(chǎn)生沖突時的優(yōu)先級。

這樣看似簡單的邏輯卻具有很好的適應(yīng)能力。這樣一個掃地機(jī)器人最終必然能夠把屋子打掃干凈。但是不幸的是，如果運(yùn)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(xié)作機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法可分為兩類：仲裁和命令合成。采用仲裁方法的行為協(xié)作在同一時間允許一個或一系列行為實(shí)施控制，下一時間又轉(zhuǎn)向另一組行為。而命令合成關(guān)心的是如何將各個行為的結(jié)果最終合成為一個命令，輸入到機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它允許多個行為都對機(jī)器人的最終控制產(chǎn)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(jī)器人，同時需避開遇到的障礙物。仲裁機(jī)制和命令合成機(jī)制均有著許多具體的實(shí)現(xiàn)策略，各有其優(yōu)勢和不足之處。

1.4混合式架構(gòu)(HYBRIDARCHITECTURE)

包容式架構(gòu)強(qiáng)調(diào)模塊的獨(dú)立、平行工作，但缺乏全局性的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，雖然在局部行動上可顯示出靈活的反應(yīng)能力和魯棒性，但是對于長遠(yuǎn)的全局性目標(biāo)跟蹤顯得缺少主動性，目的性較差。例如上文舉例的掃地機(jī)器人。包容式架構(gòu)和行為模型為機(jī)器人提供了一個高魯棒性、高適應(yīng)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(fù)雜的應(yīng)用，可能需要混合式架構(gòu)，以融合程控架構(gòu)和包容式架構(gòu)/行為模型的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免它們各自的缺點(diǎn)。

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

Gat提出了一種混合式的三層體系結(jié)構(gòu)，分別是：反應(yīng)式的反饋控制層（Controller），反應(yīng)式的規(guī)劃―執(zhí)行層（Sequencer）和規(guī)劃層（Deliberator）。博創(chuàng)科技推出的UP-VoyagerIIA機(jī)器人即采用了基于行為的混合分層控制架構(gòu)，該架構(gòu)包括用戶層、自主規(guī)劃決策層、行為層和執(zhí)行控制層四個層次。用戶層主要處理用戶與機(jī)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(guī)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(xiàn)的障礙物；行為層包括避碰、低電壓保護(hù)、擾動、逃離等一些行為，可以不在上層的控制下自主執(zhí)行。執(zhí)行控制層則是把傳感器的非符號化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉柣瘮?shù)據(jù)供上層讀取，或者用自動控制理論和方法高速地控制執(zhí)行器的運(yùn)作。