淺談機(jī)器人控制研究的重要性

馬勇

摘 要：21世紀(jì)，世界科學(xué)水平迅猛發(fā)展，機(jī)器人作為最熱門(mén)的研究之一，被越來(lái)越多的人熟知并應(yīng)用。機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、教育等行業(yè)，可以說(shuō)當(dāng)前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨空前的發(fā)展機(jī)遇，為此，各國(guó)、各公司將大量資金投入于研究開(kāi)發(fā)中，希望可以在機(jī)器人領(lǐng)域占有一席之地。在眾多的研究中，作為機(jī)器人的“大腦”，機(jī)器人控制技術(shù)顯得尤為重要，它掌握著每個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、工作時(shí)間以及完成工作所需步驟等等，可以說(shuō)如果機(jī)器人控制研究有所突破，整個(gè)機(jī)器人技術(shù)都會(huì)有質(zhì)的飛躍。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；機(jī)器人；控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0063-02

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是新興產(chǎn)業(yè)之一，是人類(lèi)現(xiàn)在以及未來(lái)重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目之一。機(jī)器人技術(shù)可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，加快社會(huì)的發(fā)展，使人類(lèi)生活水平大大提高。但目前機(jī)器人技術(shù)水平還處于初級(jí)階段，研發(fā)工作存在大量低水平的重復(fù)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)沒(méi)有進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)業(yè)分工。因此，機(jī)器人模塊化系統(tǒng)化研究尤為重要，而機(jī)器人控制系統(tǒng)就為其中不可缺少的一環(huán)。

1 機(jī)器人的簡(jiǎn)介

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即為機(jī)器人的本體，出于擬人化考慮，可以將其分為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。臂部為機(jī)器人的主要部分，一般采用空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）被稱(chēng)為關(guān)節(jié)，一個(gè)機(jī)器人有多少個(gè)關(guān)節(jié)，其自由度數(shù)就為多少，而且根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類(lèi)型。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的控制系統(tǒng)，一般可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是由一個(gè)微型計(jì)算機(jī)全部完成控制，另一類(lèi)是由一個(gè)主機(jī)加上多個(gè)微型計(jì)算機(jī)共同完成。根據(jù)機(jī)器人的任務(wù)有所不同，機(jī)器人控制方式可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制以及力矩控制。

1.2 分類(lèi)情況

機(jī)器人可應(yīng)用于工廠(chǎng)、學(xué)校以及農(nóng)場(chǎng)等多個(gè)地方，可以說(shuō)其用途十分廣泛，因此它的種類(lèi)也豐富多樣。對(duì)于機(jī)器人的分類(lèi)，國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)機(jī)器人學(xué)者根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的不同，將其分為了工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類(lèi)。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。特種機(jī)器人是除了工業(yè)機(jī)器人以外其他非制造行業(yè)的機(jī)器人的總稱(chēng)。特種機(jī)器人種類(lèi)繁多，包括：服務(wù)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、家務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等。相比較于工業(yè)機(jī)器人，這種機(jī)器人大多服務(wù)于人類(lèi)，更貼近人類(lèi)，是人類(lèi)生活更加智能化、現(xiàn)代化的重要保障。

1.3 發(fā)展歷史

機(jī)器人是人類(lèi)最渴望制造出來(lái)的“朋友”，全球科學(xué)家也為此奮斗了數(shù)十年甚至上百年。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)在作家卡雷爾·恰佩克的一部科幻小說(shuō)中。1939年，世界上第一個(gè)機(jī)器人在紐約世博會(huì)上展出，這也使機(jī)器人走入人們的視線(xiàn)里。之后的20多年，全世界未能在機(jī)器人研發(fā)上有所突破，但其中一些理論卻對(duì)機(jī)器人研究影響深遠(yuǎn)。1959年，德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，這也掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。1960年以后，機(jī)器人的研究進(jìn)入突飛猛進(jìn)的階段，傳感器研究日趨成熟，也使得機(jī)器人越來(lái)越智能化，越來(lái)越貼近于生活。邁入21世紀(jì)，智能機(jī)器人研究已成為全世界科研中必不可少的一項(xiàng)，娛樂(lè)機(jī)器人等的出現(xiàn)，使機(jī)器人逐漸邁入普通家庭。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成（硬件）

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的“大腦”，決定了機(jī)器人的功能和性能，它的主要任務(wù)是控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置、軌跡、操作順序及工作時(shí)間等。機(jī)器人控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，也極其重要，是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分?？刂葡到y(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)非線(xiàn)性、多變量控制的系統(tǒng)?？刂朴?jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)，一般為微型計(jì)算機(jī)。示教盒實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作以及與主計(jì)算機(jī)之間的信息交流。操作面板顧名思義是各種按鍵、指示燈的載體，以便完成基本操作。再說(shuō)傳感器接口，相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”，它是機(jī)器人對(duì)外界信息接收、檢測(cè)的媒介，一般為力覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器。軸控制器是機(jī)器人的“神經(jīng)系統(tǒng)”，它完成了對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)位置、速度以及加速度的統(tǒng)一調(diào)控?？梢哉f(shuō)機(jī)器人是由一個(gè)個(gè)微小部件結(jié)合在一起的組合體，每一部分缺一不可。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 電機(jī)的控制

電機(jī)，俗稱(chēng)“馬達(dá)”，是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，使機(jī)器人完成制定工作。具體的來(lái)說(shuō)，機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有很高的要求，快速性是首位，電機(jī)獲得指令信號(hào)后應(yīng)快速進(jìn)入工作狀態(tài)，響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間越短，工作效率越高。電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比要大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。電動(dòng)機(jī)要有較寬的調(diào)速范圍，一般的調(diào)速范圍為1：1000～10000。目前，直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中，它的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的特點(diǎn)使工業(yè)生產(chǎn)效率得以提高。

3.2 傳感器信號(hào)的接入

機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器設(shè)備，來(lái)幫助人類(lèi)，服務(wù)人類(lèi)。機(jī)器人有類(lèi)似于人類(lèi)的肢體以及一部分感官功能，動(dòng)作靈活且具有一定的智能化，可以在一定程度上不依賴(lài)于人類(lèi)的操作。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的更加智能化，傳感器在其中起到了非常重要的作用。機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩部分。內(nèi)部傳感器是檢測(cè)機(jī)器人本事?tīng)顟B(tài)的傳感器，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。外部傳感器便是機(jī)器人與外界信息相互交流的媒介，外部傳感器主要有觸覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器等，仿佛人類(lèi)的五官和皮膚。在工作時(shí)，這些傳感器對(duì)外界物體進(jìn)行全方位的檢測(cè)，檢測(cè)亮度、檢測(cè)色彩濃度、檢測(cè)物體外形以及檢測(cè)物體位置等等，將檢測(cè)的信號(hào)接入機(jī)器人微型計(jì)算機(jī)中，以便機(jī)器人對(duì)工作進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷。例如機(jī)器人避障，通過(guò)傳感器進(jìn)行紅外探測(cè)根據(jù)反射發(fā)出的特定頻率紅外線(xiàn)進(jìn)行判斷有無(wú)障礙物和障礙物距離。正因?yàn)橛辛藗鞲衅鳎瑱C(jī)器人才具備了類(lèi)似人類(lèi)的知覺(jué)功能和反應(yīng)能力。

3.3 控制信號(hào)的輸出

機(jī)器人控制信號(hào)的輸出是控制系統(tǒng)中的重要組成部分。機(jī)器人的信號(hào)輸出是指通過(guò)某個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)來(lái)表示當(dāng)前某種運(yùn)行狀態(tài)。輸出信號(hào)一般分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，以ABB機(jī)器人為例，模擬信號(hào)可以輸出0-10V電壓，數(shù)字信號(hào)輸出24V電壓。信號(hào)的輸出典型應(yīng)用為機(jī)器人的執(zhí)行錯(cuò)誤、碰撞發(fā)生或急停狀態(tài)輸出。下面舉一些信號(hào)輸出功能：Motion Supervision Triggered機(jī)器人碰撞檢測(cè)功能被觸發(fā)；Pwer Fail Error電源故障；TCP Speed機(jī)器人運(yùn)行速度等等。控制信號(hào)的輸出相當(dāng)于機(jī)器人內(nèi)部運(yùn)作語(yǔ)言的表達(dá)，讓機(jī)器人的工作更加系統(tǒng)化。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在世界范圍內(nèi)，機(jī)器人技術(shù)作為戰(zhàn)略高技術(shù)，無(wú)論推動(dòng)國(guó)防軍事、智能制造裝備、資源開(kāi)發(fā)，還是發(fā)展未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，各國(guó)都十分重視其發(fā)展。在這種趨勢(shì)下，機(jī)器人性能不斷完善，向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化方向不斷發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)作為主流研究方向，對(duì)新型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分熱門(mén)。機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為開(kāi)放式與封閉式兩種。自從機(jī)器人誕生以來(lái)，大部分控制系統(tǒng)均采用封閉式，其代表Puma560工業(yè)機(jī)器人，但隨著任務(wù)的復(fù)雜化，封閉式的局限性日益顯現(xiàn)，所以對(duì)于開(kāi)放式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)是目前的趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人隨時(shí)間的推進(jìn)而不斷更新改進(jìn)，它們具備越來(lái)越多與人類(lèi)相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力等。作為一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)在其中顯得尤為重要，隨著機(jī)器人功能的日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)器人控制系統(tǒng)，將是一項(xiàng)十分有意義的工作。

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