雪球App，作者： 慕容衣，（https://xueqiu.com/4866021334/294396066）
控制器：人形机器人之“大脑&小脑”
控制器：人形机器人核心基础
人形机器人控制器框架通常包括感知、语音交互、运动控制等层面。
视觉感知层： 由硬件传感器，算法软件组成，实现识别、3D 建模、定位导航等功能；
运动控制层： 由触觉传感器、运动控制器等硬件及复杂的运动控制算法组成，对机器人的步态和操作行为进行实时控制；
交互算法层：包括语音识别、情感识别、自然语言和文本输出等。
以 UCLA 的人形机器人平台 ARTEMIS 为例，其控制架构包括硬件接口、仿真界面、 控制器接口、安全接口，由中央处理器（CPU）来共享和存储数据和信息。
由于目前人形 机器人技术方案尚未定型，技术快速迭代，控制器适合采用模块化结构，从而便于更换组 件，简化创建不同控制器组合的过程。
硬件接口：包括执行器、惯导（IMU）、传感器 等，反馈关节位置、速度、扭矩等数据信息；仿真界面：模仿硬件接口的功能从而进行 仿真环境的模拟测试；
控制器接口：读取到内外部环境信息后，对运动控制器等发送指 令；安全接口：在检测到任何错误行为时关闭机器。
运动控制器是人形机器人控制架构中最重要且复杂的模块之一。对于人类而言，人类 可以结合使用不同的感官，如视觉、触觉和听觉等来应对环境中的不确定性，经过长时间 的走路训练，运动控制早已内化为“下意识”动作。
对于机器人而言，如果机器人在不平 坦地面和不确定的外部环境中进行动态运动，运动控制器需要实时调整其计划和轨迹，并 协调双足和全身肢体的状态。
以 ARTEMIS 为例，其运动框架十分复杂，由运动控制器、步态调度、步态规划、轨 迹规划器、全身控制器组成。
运动控制器接收当前广义坐标 、力矩和接触状态 ，并计算所需的前馈力矩(τ)和关节反馈。
步态调度决定何时移动末端执行器，步态规 划决定将末端执行器移动到哪里，轨迹规划器和全身控制器决定如何移动末端执行器、质 心和身体。
技术攻关关键环节，国家政策重点支持
“大脑”和“小脑”是人形机器人产业化落地的关键所在，也是技术难点所在，不仅 是各家人形机器人厂商竞争的关键点，也是目前政策层面重点支持的环节。
在今年两大工 信部发布的人形机器人重磅政策中，“运动控制”均放在关键位置。
2023 年 9 月工信部发布《人形机器人揭榜挂帅任务榜单》中，排在核心基础首位的技 术为全身动力学控制算法。
揭榜任务为：面向人形机器人高动态行走的全身控制问题，突 破人形机器人多体动力学实时模型、基于全身力矩的模型预测控制、长距离离线身体姿态 和落足点规划、在线步态规划与实时姿态跟踪、面向仿人机器人高爆发关节伺服阻抗控制等关键技术。
形成人形机器人高动态行走控制方法，在人形机器人实物平台上进行实验验 证。预期目标为：到 2025 年，建立人形机器人高动态行走控制算法，可支持具有双足、双 臂、腰、髋、膝、踝等不少于 28 个自由度的人形仿生机构。
支撑人形机器人实现平地、斜 坡、台阶、非平整路面、松软路面等环境的高动态行走，平地最大行走速度≥4km/h, 最大 奔跑速度≥9km/h。
2023 年 11 月，工信部联合多部门发布《人形机器人创新发展指导意见》，控制器为 重点突破产品。政策目标到 2025 年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体” 等一批关键技术取得突破。
其中，“大脑”基于人工智能大模型，增强环境感知、行为控 制、人机交互能力；“小脑”用于控制人形机器人运动，搭建运动控制算法库，建立网络 控制系统架构。
控制器产品发展目标为：面向高实时协调运动控制需求，研发具有高动态 运动驱动、高速通信等功能的专用芯片，研制“感-算-控”一体化的高性能运动控制器。
面向人形机器人认知与决策需求，研发具有多模态空间感知、行为规划建模与自主学习等 能力的智能芯片，提升人形机器人协调控制能力。
向对比成熟产业，底层原理殊途同归
工业机器人 vs 人形：控制精度和工艺理解要求更高
工业机器人控制器作为机器人的“大脑”，具有控制机械臂的工作状态、运动轨迹、 空间位置、操作顺序等功能。
工业机器人对控制器的基本要求包括：控制工业机器人的 位置、速度、加速度等，对连续轨迹运动的机器人还要有轨迹规划和插补运算功能；
人 机交互：工作人员使用示教器、操作面板，对机器人进行编程等；
外部感知：部分场景 需要工业机器人对视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量感知，有时需要与其他设备交换 信息和协调工作。
工业机器人控制器通常是 PC-Based 控制，由硬件和软件组成： 硬件：硬件由工控计算机和示教器（示教编程使用）/电脑面板（离线编程使用） 组成。
其中，工控计算机由 PCB 电路板（将电子元器件与电气连接）、IC 芯片（晶体管、 电阻、电容等微电子元器件形成的集成电路）、晶体管（基于输入电压控制输出电流）、 电阻电容（阻碍电流，在电路中起分压、分流、限流等作用）组成。
工控计算机另外包含 操作面板、通信接口、网络接口、传感器接口和驱动器接口等。
软件：软件由控制算法和二次开发（客户定制化开发），部分工业机器人采用示教 编程，工作人员通过示教器控制工控计算机；部分工业机器人需要工作人员进行离线编程， 生成机器人的运行轨迹。
机器人控制器架构分为集中控制、主从控制、分布控制三种类型。
集中控制是由一台机器人实现全部控制功能，结构简单，成本低；但实时性差，难 以拓展，可靠性低，是早期机器人的常用结构；
主从控制是采用主、从两级处理器实现系统的控制功能，主 CPU 实现管理、坐标 变换、轨迹生成和系统自诊断等，从 CPU 实现所有关节的动作控制，实时性好，适用于高 精度、高速场景；但系统扩展性较差，维修困难；
分布控制采用“分散控制，集中管理”思路，系统对总体目标和任务进行综合协调 和分配，子系统协调来完成控制任务；
其特点为灵活性好，可靠性提高，有利于系统功能 的并行执行，提高效率，易于拓展，可实现智能控制；缺点为当自由度数量和算法变得复 杂时，控制性能会恶化。
与人形机器人控制器相比，工业机器人的区别主要在于： 工业机器人有精度要求：工业机器人目前达到的运动控制精度在 0.1mm，相比机 床的控制精度微米级别有所差距，但远高于人形机器人的要求；
控制器算法决定运动精度，算法与工艺理解密切相关：工业机器人应用于汽车、光 伏等工厂场景中，控制器需要二次编程。
程序员需要深入了解工艺 knowhow 和客户需求， 才能不断优化算法，提高控制器的运动精度；人形机器人不用于精密加工，因此对工艺理 解和精度要求低。
控制的复杂度不同：工业机器人控制器控制的自由度少，传感器数量少；人形机器 人控制器主要用于控制更复杂的全身自由度以及灵巧手自由度、步态控制和全身协调控制 等。
需要连接的外部传感器