控制系统构成优化

1.模块化控制

目前，机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化，以及系统的网络化和智能化等方面。而要想机器人真正像电视、电脑等家用电器一样普及，关键在于标准化和模块化。

在技术上，机器人的软件是专用而复杂的，由于缺乏统一的标准和平台，每个机器人制造商都有自己的体系结构，相关应用厂商无力开发大量不同的应用软件，无法进入机器人市场。所以应该加快开展体系结构、中间件与模块化技术攻关和应用示范，加大扶持以中间件与模块化技术为核心的软件与功能构件产业化发展。

1）服务机器人模块化的定义

a）日韩对模块化定义的理解

日本定制机器人必须能廉价开发。为实现这个目标，传感器、传动器、手臂、移动部件等这些机器人的硬件单元及控制工具、机器人和操作系统的中间软件等产品应该应有尽有，而且，这些产品就像个人电脑一样，必须具有开放性。因此，必须有一些企业向市场提供这些机器人的组成单元，而另外一些企业用这些组成单元来集成定制机器人。把机器人采用的部件模块化，只要将模块化的功能部件组合起来，就能按用户的要求提供服务。这种模块化的机器人功能部件，称为RT组件。在RT组件中，有的是由硬件和控制软件组成的，如传感器模块；有的仅仅是由一些软件组成的，如数据处理模块。

韩国模块化机器人操作臂是一个把一些离散的关节和连杆装配成多种可能配置形式中的一种的机器人系统。它由一系列大小、型号可互换的连杆和关节组成。通过对这些模块的组装，应用标准的机械和电气接口，就可以制造出适应不同任务要求的机器人。这种机器人具有成本低、易维护、易修改、持久无故障等优点。

b）欧美对模块化定义的理解

美国把一系列的零部件，如驱动关节、连杆、动力单元、软件模块等组装成适合特定任务要求的移动机器人。在选择机器人的配置模块时使用遗传算法，目的是为了选择最好的组合。

通过此方法，可以快速、高效地设计、制造移动机器人。根据执行任务的不同，可以选择不同的配置。通过组合预制件模块，可以极大地减少开发时间。此外，可重用的“标准化”模块也可以降低成本。

机器人零部件的模块化可以使研究人员“即插即用”（plug-and-play）已有的部件，而不是完全重新地去设计一个新的部件。建立标准的目标是人们可以像与一辆汽车打交道一样地与机器人打交道，或者至少是建立一个与机器人打交道的一般性的协议。

英国对机器人的模块（组件）十分关注，并有以下分类：

（1）EUROP：一个组件就是一个产品的一部分或一个模块。

（2）CLAWAR：一个模块功能齐全的装置或子装配体，它能够独立地运转，很容易安装和进行电气连接，可与另外的模块组合成一个功能完备的可靠性系统。

意大利对模块的定义：一个可重复使用和可重构的结构块，它是具有精确规格的、很好定义的普通实体。一个模块可以是一个元件、一个单元、一个工作站、甚至可以是一条直线。

2）模块化的通用原则和标准

服务机器人的功能可以包括娱乐、教育、监控、医疗等，工作环境可以是室内、室外、矿井、隧道等，驱动方式可以是轮式、履带或其他复合形式等。但从技术实现来说，都是由驱动、传感、交互、通信等功能模块组成。标准框架就是要从体系结构、软硬件实现等方面对机器人的设计进行总体规范，把整个机器人系统中含有的相同或相似功能单元分离出来，用标准化原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立成为模块，各模块间功能相对独立、完整。在机构设计上，总体机构应该容易拆卸，便于平时的试验、调试和修理。应给机器人暂时未能装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展，各个功能模块之间相互独立装配、互不干扰。在硬件设计上要做到各模块可被轻松替换与配置以适应新的应用，在软件上要制定一个通用的协议，符合该协议的对象可以互相交互，不论它们是用什么样的语言写的，不论它们运行于什么样的机器和操作系统。(www.xing528.com)

服务机器人主要针对人类生活中的服务活动，如物品（报纸、饮料等）递送、协助人类进行物品搬运等，其特点是具有工作环境的不确定性、任务的灵活性或多样性、人机交互性（包括安全性、可靠性、及时响应能力）。为此，可借鉴工业机器人现有的国际标准，对机器人系统按照功能进行模块划分。但服务机器人功能多种多样，如有些需要视觉定位或导航功能，有些需要远红外传感器实现避障功能，有些需要语音识别功能和语音功能进行人机对话，还有机器人可视化编程、控制等功能。为使家用机器人系统更为简洁、结构更加灵活实用，提出了家用服务机器人系统中“通用模块”和“专有模块”的概念。用户根据不同的需求，定制自己需要的“专有模块”，与少量必要的“通用模块”相结合，迅速集成所需的家用服务机器人系统。

通用模块就是通过对服务机器人在家用背景下的功能进行分析、抽象，提取出机器人的基本功能。例如，机械方面可以划分为机械臂、手爪、移动底盘等模块，软件上可划分为机器人建模功能，环境创建功能，导航（路径规划）功能，动作任务规划功能等。

专有RT模块是针对特定场合应特定需求而开发设计的模块，如传感器组件库、语音模块、语音识别模块、机器人的行为库、策略库等。用户可以结合特定需求在行为、策略库中定义、添加新的行为、算法等。

3）模块化技术发展的主要特点

（1）服务机器人功能划分及框架设计的标准化。

（2）系统的柔性化。用户根据不同的需求，定制自己需要的“专有模块”，与少量必要的“通用模块”相结合，迅速集成所需的机器人系统，使机器人系统更为简洁、结构更加灵活，以适应服务机器人多种多样的应用需求。

（3）系统的开放性。各个模块都要进行封装，各模块仅对外界提供一定的服务，而屏蔽掉了服务实现的细节，从而保证了模块开发商的知识产权，同时由于各个模块的接口是公开的，模块提供的服务经授权后是可获得的，从而保证了其他开发人员在无须知道其内部实现细节的情况下，直接调用模块服务针对系统某一方面的内容进行二次开发，进行功能扩展或创新，从而极大提高了系统活力和应用潜力。同时，系统开放性的实现，也在一定程度上降低了机器人开发的门槛，一些规模较小的公司、研发团队也可针对系统某一项特定应用进行深入研究，其成果也可以集成到现有系统中来。在机器人团队研发上进行有效的分工，避免重复研发工作，无疑将对今后的机器人开发起到重要的推动作用。

（4）模块的柔性化。为了实现机器人可插拔式组装和用户个性化定制功能，提出机器人模块概念，对机器人进行模型化描述，从而对机器人内各种资源（也称RT单元，Robot Technology Unit）进行统一的标识和管理，以支持不同RT单元的协调工作。同时开发人员也可以将本系统中的机器人模型进行继承，扩展开发自己的机器人模型，这样可以方便地将已有系统的代码移植到其他的机器人硬件中，从而极大地提升了家用服务机器人系统的柔性和可移植性。

（5）模块的智能化。即对服务机器人模块内各种功能接口建立上下文信息，从而对各个模块进行功能描述与建模，使服务机器人各种功能模块能够具备一定的自组织、自管理能力，从而使模块具有更高的智能性。

随着服务机器人技术和模块化程度的不断提高，服务机器人的表现形态将成为模块化技术和构件组合而成的集合体。微软公司开发的Robotics Studio也清楚地表达了这样一个发展趋势。在这个机器人的开发套件里，除了解决多传感器信息处理等并发问题以外，还利用分布软件服务（DSS）技术简化了分布式机器人应用程序的编写。这种分布式软件服务能够为开发者在编写应用程序时提供各项服务。例如，读写传感器信息或控制电机等部件的编程，程序能够对各个独立运行的过程进行协调，这种方法类似于把来自不同服务器的文本、图片和信息等整合在一个网页上面。分布式软件服务让软件的各个组成部分能够彼此独立运行，把这种服务软件与宽带无线技术相结合，就能很方便地通过网络浏览器对机器人进行远程监控和调节。而且，这种分布式软件服务的应用程序不一定要完全安装在机器人上，它可以分布于多台计算机中。这样，就可以利用现在家用电脑上相对便宜的高性能硬件设备来完成机器人运行中复杂的处理任务，从而降低成本。这种技术的发展将为新一代机器人的诞生铺平道路。这种机器人实质上就是台式计算机的可移动无线外设，利用PC强大的处理功能处理视觉识别、导航等任务。同时，又因为这些设备可以通过网络相互连接，从而支持多机器人协同工作。

在构建机器人系统时，基于标准化技术的模块化方法可以提高机器人功能的兼容性和可重用性。在不久的将来，通过集成各种各样的模块，机器人系统的开发过程将更加快速，更加柔性化。

2.智能化控制

环境智能化瞄准的方向是：①通过智能化的环境本身实现机器人服务；②通过智能化的环境强化其环境中的单个机器人的功能。不管是哪一种情况，通过环境的智能化实现上述功能的优点可以归纳为下述两点：

（1）机器人系统容易实现。环境系统是一个包括对象物在内的系统结构，因为扩大了空间利用，缓解了机器人系统的空间限制，即便需要安装许多传感器和传动设备的系统也是容易实现的。另外，这些单元之间的连接布线可以埋设在天花板和墙壁内部，也可以采用无线网络的形式，就能形成很少受到人干预的系统结构，能够利用许多传感器和传动设备，这就是说，能够用最适当的器件完成相应的服务。

（2）容易实现人与机器人共存。服务机器人系统因为受人的干预程度低，所以能够形成不管什么时候都能和人进行交流的系统。这就是说，能够形成一个可长时间监控或在日常生活中必要的时刻总是能给予服务的系统。这种经常性的工作，对健康监控和安全防范监控来说是一种非常必要的功能。

在日本爱知世博会上，研究人员通过采用埋设在多处环境中的器件实现对人综合服务的演示，同时提出了“超级服务机器人”的概念。超级服务机器人是一种在人的周围、随时能够为人提供必要服务的综合机器人。今后，作为环境型机器人的研究方向，机器人产业不仅是和机器人有关，这种以人为中心的综合研究和相应的综合软件框架研究也极为重要。