如何搭建一个机器人控制系统
前言这里着重从科研的角度来讲一下机器人系统该如何搭建，适合机器人专业、机器人爱好者参考。
机器人种类繁多，这里的机器人系统着重针对足式机器人、仿生机器人、外骨骼机器人、关节型机器人等伺服机构偏多、控制精度要求较高、市面上又无现成商品化控制系统硬件的机器人系统。无人机、无人车领域建议去专业论坛求索，本文仅供参考。
机器人控制系统更新迭代较快，这里给出2019年世界主流控制系统设计理念，具体参考了ICRA2019，世界著名实验室等资料。
本文不具体给出技术细节，只给出设计理念、产品型号选择范畴等，因为具体的设计是要根据具体的机器人来定的。传感器、手控器等外设本文也不涉及。
本文着重设计理念理解，帮助工程实用，大白话讲述，不甚严谨，批判家手下留情。
系统设计整个机器人控制系统涉及三个方面：控制系统硬件、控制系统软件、控制系统通信。
控制系统硬件即控制算法的实现平台，例如单片机、PC机、工控机等。
控制系统软件就是控制算法在哪个IDE（集成开发环境）下编写，编写的程序在哪个操作系统（单片机可以没有操作系统）下运行。
控制系统通信是控制板卡和其他各个部件的信息传输，如传感器的数据需要传给控制器，控制器的指令需要传给执行器等。
上述三个方面的关系是，算法程序在软件里写，写完之后在硬件里跑，跑的过程中算法需要的数据由通信来给，指令也由通信下达给执行器。
2.1控制系统硬件
控制系统硬件包括两大类：嵌入式微处理器、嵌入式计算机。
嵌入式微处理器包括单片机、ARM、DSP、FPGA等；嵌入式计算机包括微型电脑、工控机、PC104小板机等。需要注意的是，这里二者的界限并不是那么明显，比如工控机所用的CPU也可能是ARM构架的，但目前市面上更多的是intel和AMD公司生产的x86构架的CPU（我们的个人电脑，笔记本里的什么酷睿i5、i7CPU都是基于x86构架的）。
嵌入式微处理器硬件很好买，而且也便宜，如果自己不会画板子的话，直接买现成的开发板应该能够满足需求。
微型电脑其实和我们的个人电脑差不多，只不过尺寸更小，便于安装到机器人上，像intel的nuc就比较火。淘宝上可以很方便的采购微型电脑（微型主机/迷你主机）。
工控机就是工业控制计算机，其实和我们的个人电脑也差不多，只不过用在工业上需要抗摔、防尘、以年为单位连轴转尽量不关机、可靠性更高。国外的工控机如倍福，好但贵。国内的工控机研华的也不错。
PC104小板机可以当作是一个工控机，它采用的是PC/104总线结构，芯片一般也是x86的芯片。优点是需要扩展的话直接叠罗汉式插板就行。
其实控制系统硬件很好理解，只要具备计算能力就可以。也就是说，如果是拖线式控制机器人的话，用自己的电脑也可以胜任，但个人电脑主要用来看剧玩游戏，毕竟不是很对口，而且还得把win10系统换掉才行（坚持用win10的话需要一些额外操作）。
目前主流都是用嵌入式计算机（EmbededComputer）中的微型电脑+嵌入式微处理器（EmbeddedMicroController），微型电脑负责主控，嵌入式微处理器负责底下的小模块。如果机器人系统比较小，直接用嵌入式微处理器也可以。如果有视觉处理需求，可以额外再加一个微型电脑，如英伟达的TX2.
2.2控制系统软件
2.2.1控制系统实时操作系统（RTOS，RealTimeOperationSystem）
实时操作系统能够保证控制系统严格按周期进行运行，前言中所涉及的机器人需要有较高的实时性要求，主控制程序1kHz起步，所以这里讲述的RTOS的实时性也是毫秒级别的。我们用的win7，win10，linux都不是RTOS（淘宝上很多工控机预装的是win7的系统，那个的实时性满足不了上述机器人的要求，它们主要是用来做过程控制、监控设备、人机交互用的，比如可以用在取款机上，取款机的响应速度体验起来感觉是秒级的，还有的用在KTV点歌机上，点歌不会要求毫秒级的响应速度的）。
一般嵌入式微处理器可以不用安装操作系统，直接裸机跑。如果要装的话可以用ucos、freertos等。
微型电脑上可安装的RTOS有WinCE、VxWorks、QNX、嵌入式Linux等，不建议装winxp、win7、win10系统，如果实在想在这些系统下控制机器人，我所知道的有两个方法，但没去考证可行性：一是CPU如果是多核的话，锁住一个核专门用作实时控制；二是通过接口再拓展如FPGA等板子，专门用作实时控制。随着现在ROS的流行，越来越多的团队直接装的是非实时的UbuntuLinux系统，外加硬实时补丁CONFIG_PREEMPT_RTpatch，这样也可以，而且看样子是趋势。
一些工控机、小板机的RTOS大体和微型电脑上的类似，不再赘述。
2.2.2控制系统集成开发环境IDE（IntegratedDevelopmentEnvironment）
一般IDE是安装到我们的工作计算机/笔记本上的，写好程序，编译好，然后再下载到控制硬件（嵌入式微处理器、嵌入式电脑）里，这样用着方便。也有的直接在RTOS下的IDE中直接编写程序。
嵌入式微处理器的IDE有Keil、IAR等，选择自己顺手的即可。
嵌入式电脑的IDE就多了，如windows下的（这里的windows系统是个人工作电脑上的系统，不是控制硬件上的RTOS）VS、QT、QNX之类，Linux下ROS亦可。
通信：现场总线和工业实时以太网主控器有了，机器人系统中还有各种传感器、执行器、监控器等，它们的信息需要相互传输，而且一些实时运行的实验数据也需要保存下来。
现在主流的通信方式有两种，一种是基于CAN总线（可选用CANOpen协议），另一种是基于工业实时以太网的EtherCAT协议，二者的物理接口不一样，CAN总线的接口有的是两根线（凤尾插头那种），有的用DB9接口。EtherCAT接口就是我们常用的RJ45网口，注意EtherCAT的主站，也就是主控器的接口和我们平时用的网口一样，它们是兼容的，但是从站，即传感器、执行器这边，接口也是一样的网口，但是从站接口硬件需要支持EtherCAT协议（需要多加一个芯片）。
一个概要图建议建议追踪世界大牛实验室：MITBiomimeticRoboticsLab、苏黎世联邦理工AutonomousSystemsLab、意大利理工DynamicLeggedSystemslab等。
工业机器人控制器
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详解工业机器人控制系统架构
1.2移动机器人类
移动机器人的控制器属于较新的方向，工业移动机器人有AGV、无人驾驶工程机械等形式，控制系统底层方案如下：
1.3对比
机械臂对精度和运动稳定性的要求较高，因此计算量大、周期短，比移动机器人一般要高1到2个量级。移动机器人一般对同步精度要求不高，其配置相对较低。
机械臂一般工作于固定的区域，其控制器通常放置于机箱内，因此防护等级不高，一般是IP20。
移动机器人由于需要经常运动，尤其是室外工程机械，要考虑防水防尘，其防护等级较高，一般是IP67。
2CoDeSys介绍
2.1CoDeSys的组成
你会发现，很多的机器人控制软件都是借助CoDeSys实现的，那么什么是CoDeSys呢？
CoDeSys是一款付费的软PLC开发软件，简单来说，它包括两部分：DevelopmentSystem和RuntimeSystem。DevelopmentSystem就是用来编程的软件界面（就像VisualStudio、Eclipse等软件，也可以称为IDE），设计、调试、编译PLC程序都在IDE中进行，这部分是用户经常打交道的；
PLC程序写好了以后，就要把它转移到硬件设备中运行。可是这时生成的PLC程序自己是无法运行的，它还要在一定的软件环境中才能工作，这个环境就是RuntimeSystem，这部分是用户看不到的。
二者安装的位置通常不同，IDE一般安装在开发电脑上，RuntimeSystem则位于起控制作用的硬件设备上，二者一般使用网线连接，程序通过网线下载到Runtime中运行。
CoDeSys在国内知名度不高，但是在欧洲久负盛名，尤其在工业控制领域。我们上面提到的很多机器人公司都使用了它的产品，例如KEBA、倍福、固高，还有几乎所有的移动机器人控制器厂家。
设计CoDeSys的3S公司只卖软件，不卖硬件。硬件电路需要由用户自己设计，3S公司负责将RuntimeSystem移植到客户的硬件上。RuntimeSystem可以裸跑在硬件上，但一般是运行在操作系统上，配置操作系统也是客户的工作。
如果客户要求，CoDeSys的IDE可以定制，换成客户的logo和外观，这就是为什么你会发现不同厂家的开发平台长得不一样，但风格又比较相似。
当然，用户也可以使用其它IDE，例如倍福就使用了微软的VisualStudio，而背后的编译器等内核以及函数库仍然采用CoDeSys的方案。
CoDeSys的Runtime具有强大的适应性，支持绝大多数的操作系统和硬件芯片架构。
2.2CoDeSysRuntime原理
CoDeSys的IDE部分是免费的，你可以从其官网下载体验体验。真正收费的是运行系统RuntimeSystem。
CoDeSys在设计之初就将功能划分为若干组件模块，例如总线协议栈、可视化界面、运动控制、安全控制等等，用户可以像搭积木一样选购必需的模块搭建自己的系统，最后形成一个定制化的控制软件平台。
一些初次接触软PLC的用户可能对这部分感到陌生，但其实这种设计方式非常普遍。举几个例子，MATLABSimulink的实时工具箱（Real-Time）就是这样的工作方式，用户在Simulink的图形界面里通过拖拽设计控制程序，然后下载到真实的硬件中跑，可以在这里了解。
还有像倍福也是这样的使用方式，用户在TwinCATIDE里进行编程，然后下载到倍福的控制器中，控制器里面其实已经预装了一个Runtime。西门子的STEP7也是一款IDE，它的PLC中也存在一个配套的Runtime。
用户编写的PLC程序就像我们电脑里的应用程序，它运行在RuntimeSystem上，而RuntimeSystem又运行在操作系统之上。
RuntimeSystem位于应用程序和操作系统之间。所以可以被称为中间件（Middleware）。在机器人软件里面，处于同样地位的还有ROS、OROCOS（Real-TimeToolkit）等等。
机器人的控制，像数控机床一样，对实时性有要求，因此我们选择的操作系统最好是实时操作系统（RTOS）。遗憾的是，我们经常用的操作系统都不是实时的，例如Windows和Linux。但幸运的是，有人对它们进行了改造，也就是加入实时补丁。
常用的实时操作系统有：VxWorks、QNX、WindowsRTX、Xenomai、RTLinux、LinuxRTAI、WinCE、μC/OS、SylixOs等等。考虑到Windows和Linux这两款操作系统的用户较多，CoDeSys推出了相应的实时补丁（RTE），为用户免去了改造的烦恼。
2.3CoDeSys的缺点
CoDeSys给我们开发控制器带来了便利，省去了从零开始的麻烦，但是依靠CoDeSys这类商业软件开发自己的控制器产品也存在不少的缺点：
1）底层算法不公开
CoDeSys集成的运动控制组件、总线协议栈都是封装好的，用户无法了解其内部细节，也无法针对自己的具体需求进行定制优化，只能简单地调用。用户只能依附于CoDeSys平台，难以形成自己的核心技术。
2）功能有限，难以扩展
现在以机器视觉、人工智能、自动驾驶等为代表的新技术突飞猛进，而工业控制上的很多技术仍然停留在20年前。以移动机器人中的导航场景为例，基于视觉或者激光的导航方法需要采集大量的数据并对其进行处理，其中涉及相当多的矩阵计算。
而现在PLC只能进行落后的一维数字计算，难以实现复杂的算法。与人工智能圈子喜欢开源的风格正好相反，工业控制圈子相互封闭，谁都不肯开放自家的函数库，开源函数库极少（OSCAT），就连最基本的滤波算法、矩阵计算都要自己从头开始写。而且，国际标准提供的基本函数太过有限，完全无法适应新的场景，急需扩展。
3）难以更新
由于完全依赖CoDeSys，客户自己产品硬件的升级换代需要重新定制移植，导致成本增加。
3开源方案
目前存在一些开源的控制系统方案，例如Beremiz、Orocos、OpenPLC、OpenRTM、ORCA。
开发机器人控制器是个繁重的工作，要明确一系列性能要求，首先是实时性。
实时性对于工业机器人来说一般是必须的，对于服务或娱乐机器人则未必。一般人很容易错把“实时性”理解为处理或者响应速度快，但是其实“实时性”表示时间上的“确定性”，例如实时操作系统（RTOS）中的中断响应或者进程切换的延迟时间一定是在一个时间范围内。
我们常用的操作系统（Windows、Linux）都不是实时操作系统，因为它们设计的初衷是吞吐量，不能保证每个事件都在一定范围内得到处理。再比如，标准以太网的传输速度比实时工业以太网快多了，但是它也却不是实时的，因为它同样不能保证数据在给定的时间内完成传输。
理解实时性不太难，可是机器人哪些的任务需要实时运行呢？如何根据机器人的性能要求确定程序运行的时间间隔呢（是1ms还是10ms）？实时性取决于硬件还是软件呢？
如何根据实时性选择具体的软硬件呢（该选择ARM还是X86、LinuxRTAI还是VxWorks）？网上缺少这方面的深入讨论，各大机器人厂家也不会公开自己的测试和试验结果，似乎这方面主要依靠经验和试错。
这里我也只能提供几个指标，目前工业机械臂的控制周期是1ms左右，性能较高的伺服驱动器位置环的控制周期可以达到125[MathProcessingError]musμs。
PLCopen定义了伺服和运动控制的一些标准，包括编程语言、运动控制基础函数块（FunctionBlock）、输入输出接口的参数等[MathProcessingError]^{[3]}
[3]具体的实现代码细节，这个是由各个厂家提供的。
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