試分析工業(yè)機器人的仿人智能控制要點

王海榮

摘 要 采用仿人智能控制工業(yè)機器人，能有效滿足機器人耦合、思辨和非線性的特征要求。仿人智能控制利用的是基于特征模型的多模態(tài)控制，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際特征狀況來選擇相應的控制，從而讓各種狀態(tài)能夠實現(xiàn)最優(yōu)，進一步在整體層面上讓系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和快速性指標得到有效滿足。本文主要就對工業(yè)機器人的仿人智能控制要點進行了簡單的分析。

關鍵字 工業(yè)機器人 仿人智能控制 要點

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A

工業(yè)機器人系統(tǒng)的主要特點就是非線性、強耦合、時變以及多變量，如果采用傳統(tǒng)PID控制將不能在高精度和高速的要求下實現(xiàn)預期的效果。為了能夠讓工業(yè)機器人在實際運轉過程中精確性、穩(wěn)定性以及快速性能得到有效提升，需要加強研究，找出一些更加智能和更加先進的控制算法。而仿人智能控制是基于特征模型的多模態(tài)控制策略，能有效兼顧和優(yōu)化工業(yè)機器人精確性、穩(wěn)定性以及快速性方面的性能指標。

1工業(yè)機器人仿人智能控制系統(tǒng)的分析

每個控制系統(tǒng)都需要在整體層面上兼顧其精確性、穩(wěn)定性和快速性，但是在實際的狀態(tài)下，這幾方面的性能指標要求也會存在一定的差異。仿人智能控制就是根據(jù)系統(tǒng)當前的實際狀態(tài)來采取相應的控制率，最終實現(xiàn)控制的目的。實際的控制過程和人類知覺推理中的“認識、判斷、操作”過程比較相似，所以被稱為仿人智能控制。

在仿人智能控制的各個實際狀態(tài)下，因為是根據(jù)實際狀態(tài)下的性能要求指標來確定控制率，所以能有效實現(xiàn)各個實際狀態(tài)下的性能要求指標，最終從整體層面上來實現(xiàn)兼顧和優(yōu)化控制系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和快速性。在設計仿人智能控制器的過程中，為了能夠更好的體現(xiàn)出兼顧系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和快速性，仿人智能控制器采用特征軌跡來作為控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能指標。

在仿人智能控制中，特征模型其實是對控制系統(tǒng)動態(tài)信息空間的一種劃分，而特征狀態(tài)就是劃分出來的每一個區(qū)域;特征模型其實就可以看成是全部特征狀態(tài)的集合。特征辨識則是對當前系統(tǒng)處在的特征狀態(tài)進行確認的過程。通過這些基本概念就可以清楚仿人智能控制的實際運行過程：首先需要劃分系統(tǒng)的動態(tài)信息空間，從而獲得系統(tǒng)特征模型，利用特征辨識來了解當前系統(tǒng)處在的實際狀態(tài)，然后根據(jù)實際的狀態(tài)來采取控制模態(tài)，最終實現(xiàn)基于特征模型的多模態(tài)控制。在工業(yè)機器人的控制應用仿人智能控制，就能得到工業(yè)機器人的仿人智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的框架簡圖如下所示。

2工業(yè)機器人的仿人智能控制要點分析

（1）特征模型。根據(jù)工業(yè)機器人的實際特征，在誤差-誤差導數(shù)平面中劃分系統(tǒng)動態(tài)信息空間，從而獲得不同的特征狀態(tài)，進一步就能得到系統(tǒng)的特征模型。根據(jù)模型中的實際特征狀態(tài)，采用相應的控制模態(tài)來對仿人智能控制器進行設計。仿人智能控制的特征模型如下圖所示。

圖中區(qū)域1-7分別對應了特征模型中的不同特征狀態(tài)，而特征狀態(tài)2又詳細分成了幾種子狀態(tài);是理想誤差時的特征軌跡，也就是仿人智能控制器設計中的瞬態(tài)性能指標。如果某控制策略設計比較好的話，在偏差比較大的區(qū)域中，就需要采用很強的比例作用或者輸出極值，這樣才能讓偏差得到有效的控制;而如果偏差的變化率比較大，則應該要采用很強的微分作用，另外也可以采用基于偏差變化率的磅-磅控制，這樣可以讓超調得到有效降低;如果偏差以及偏差的變化率不大，就可以在比例作用下降相軌跡向相平面圖中的縱坐標軸靠近，在微分的作用下讓相軌跡向相平面圖中的橫坐標軸靠近。通過這樣的策略就可以設計出仿人智能控制在各個特征狀態(tài)下的控制模態(tài)。

（2）校正參數(shù)。仿人智能控制的參數(shù)校正包括對閾值參數(shù)和控制器參數(shù)的校正。首先校正閾值參數(shù)，在校正閾值參數(shù)時是通過分析邊界情況下的特征軌跡，來確定是否需要采取相應的規(guī)則以及何時采用相應的規(guī)則來調整初始閾值參數(shù)。通過分析可知，區(qū)域1、2、6、7的主要作用是讓偏差快速見效，而區(qū)域3、4、5的作用則主要是對偏差的變化率進行有效抑制，避免出現(xiàn)很大的反向偏差。所以在校正閾值參數(shù)之前，要先對各個區(qū)域進行有效的處理：在區(qū)域1、2、6、7中根據(jù)偏差的正負情況采用磅-磅的控制，而區(qū)域3、4、5則根據(jù)偏差的變化率的正負情況采用磅-磅的控制。在經(jīng)過這樣的處理后，就能夠在沒有校正各個分期控制器參數(shù)的情況實現(xiàn)各個分區(qū)的基本功能，讓控制能夠正常的運行，這樣才能通過對特征軌跡走向的判斷來對閾值參數(shù)進行校正。其次是校正控制器參數(shù)，控制器參數(shù)的校正和閾值參數(shù)的校正相似，都是根據(jù)特征軌跡的走向來對參數(shù)的調節(jié)規(guī)則進行設計。在校正控制器參數(shù)前，應該將全部參數(shù)初始化為一個比較小的值，而且還應該要在特征模型中定義出一定數(shù)量的期望特征區(qū)域。

（3）仿人智能控制的穩(wěn)定性分析。對智能控制穩(wěn)定性進行研究分析時應該要從系統(tǒng)不穩(wěn)定趨勢監(jiān)控的角度出發(fā)。通過動態(tài)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性等價原則，對于仿人智能控制系統(tǒng)來講，如果在輸出信息空間中，具有和穩(wěn)定線性定常系統(tǒng)一致的穩(wěn)定特征，這個系統(tǒng)就可以看成是穩(wěn)定的;如果不具有和穩(wěn)定線性定常系統(tǒng)一致的穩(wěn)定特征，那么該系統(tǒng)就可能出現(xiàn)了不穩(wěn)定的趨勢，在這種情況下就需要根據(jù)出現(xiàn)的不穩(wěn)定趨勢來調整設計控制器。

要對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析就需要分析在線運行仿人智能控制器的過程中，穩(wěn)態(tài)段特征軌跡的走向。在控制器自身狀況不完善或者外部環(huán)境出現(xiàn)改變的情況下，穩(wěn)態(tài)段的特征軌跡會離開特征狀態(tài)6，如果相軌跡離開區(qū)域6的次數(shù)較少，而且離開之后能夠在設定的較短時間內再次進入到該區(qū)域中，就可以認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則該系統(tǒng)就不穩(wěn)定。

3結語

隨著社會科學技術的不斷進步和發(fā)展，對工業(yè)機器人的精度和速度要求也更高，要想在這種情況實現(xiàn)預期的控制效果，就需要對傳統(tǒng)控制方式進行改進，而仿人智能控制就能在有效實現(xiàn)預期控制效果的基礎上，同時兼顧和優(yōu)化系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和快速性。對于工業(yè)機器人的仿人智能控制來講，應該要通過對閾值參數(shù)和控制器參數(shù)的校正，加強穩(wěn)定性的分析來保證仿人智能控制能穩(wěn)定有效的運行。

參考文獻

[1] 康博.工業(yè)機器人軌跡跟蹤控制算法研究[D].華南理工大學，2012.

[2] 陳情.多軸聯(lián)動系統(tǒng)的仿人智能控制研究[D].重慶大學，2012.

[3] 王華振.仿人機器人嵌入式運動控制器設計與研究[D].長春工業(yè)大學，2014.