超冗余機(jī)器人控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望*

李佳軒，田溢汕，余 潔，盧新建，趙永杰

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭 515063；2.廣東省智行機(jī)器人科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，各式各樣的機(jī)器人在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重大的作用。傳統(tǒng)機(jī)器人是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)形式單一的剛性機(jī)器人，其承載能力較強(qiáng)，維護(hù)比較方便，一直沿用至今，并且在一些特定場(chǎng)合的應(yīng)用不可替代[1]。但在一些復(fù)雜的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)和有限的自由度限制了其運(yùn)動(dòng)的靈活性和復(fù)雜性，難以順利完成任務(wù)，因此學(xué)界將目光轉(zhuǎn)向超冗余機(jī)器人，以應(yīng)對(duì)機(jī)器人在特殊工作環(huán)境下的應(yīng)用需求。

超冗余機(jī)器人是指自由度數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于完成作業(yè)任務(wù)所需最少自由度的機(jī)器人[2]。目前研究較為成熟的傳統(tǒng)機(jī)器人通常僅有6 個(gè)自由度，對(duì)于工作空間中的每一個(gè)位姿僅有一個(gè)對(duì)應(yīng)的位置逆解，對(duì)狹窄、多障礙空間的適應(yīng)性較差，而超冗余機(jī)器人的自由度可達(dá)10 個(gè)以上，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)位姿可能擁有無(wú)窮多個(gè)位置逆解，這使它具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性和避障能力，能夠在狹小、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。迄今為止，超冗余機(jī)器人已在航天航空[3]、醫(yī)療[4]、核電[5]等高科技產(chǎn)業(yè)中投入使用，在復(fù)雜環(huán)境中的探測(cè)、搜救[6]等工作中更表現(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。隨著相關(guān)研究的推進(jìn)，可以預(yù)見超冗余機(jī)器人還會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。但超冗余機(jī)器人的大量自由度也決定了它是一個(gè)高度耦合的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，不僅無(wú)法求得唯一的位置逆解，要建立精確的動(dòng)力學(xué)模型也十分困難，用傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，這使得超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的搭建和控制算法的設(shè)計(jì)尤為重要。

本文對(duì)超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。首先，介紹超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分的結(jié)構(gòu)及功能；隨后，列舉并簡(jiǎn)要分析當(dāng)前用于超冗余機(jī)器人控制的常用算法；最后，對(duì)超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 控制系統(tǒng)硬件

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由主控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測(cè)單元3 部分組成。主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模計(jì)算、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、軌跡插補(bǔ)等，并和用戶進(jìn)行交互，獲取用戶的輸入?yún)?shù)，將計(jì)算結(jié)果和機(jī)器人的狀態(tài)反饋給用戶。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直接對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，主要由運(yùn)動(dòng)控制單元和伺服電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器組成。檢測(cè)單元?jiǎng)t是機(jī)器人內(nèi)部或外部安裝的各種傳感器。

在超冗余機(jī)器人的控制中，每次的軌跡插補(bǔ)運(yùn)算后，還需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解變換得到驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置輸入變量，而超冗余機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法復(fù)雜，求解時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算能力有很高的要求。同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)的控制周期通常只有數(shù)十微秒，周期內(nèi)需要完成如PID演算、二次插補(bǔ)等工作，這要求系統(tǒng)具有相應(yīng)的實(shí)時(shí)處理能力，加上超冗余機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)機(jī)器人，這些都決定了超冗余機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制需要極大的計(jì)算量，單一主控機(jī)難以完成所有計(jì)算任務(wù)。因此，超冗余機(jī)器人的控制系統(tǒng)通常采用開放式、模塊化的設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)建，以多個(gè)控制器作為上位機(jī)、下位機(jī)，各自執(zhí)行一部分控制功能，控制眾多驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)。超冗余機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 超冗余機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

根據(jù)IEEE 的定義[7]，開放式控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠運(yùn)行于多種平臺(tái)上，并且能夠與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信交互，具有風(fēng)格一致的人機(jī)交互界面。開放式控制系統(tǒng)主要具有可移植性、可互換性、可伸縮性、互操作性4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。PC 系統(tǒng)豐富的軟硬件資源、友好的人機(jī)交互界面和成熟的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，使得基于PC的軟硬件平臺(tái)成為了機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)的首選[8]。以通用PC 為主控機(jī)的開放式控制系統(tǒng)可兼容C、C++、VB 以及C#等多種編程語(yǔ)言，并可選用通用運(yùn)動(dòng)控制器，在一套共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)下簡(jiǎn)便地進(jìn)行控制系統(tǒng)的開發(fā)、移植和改良。模塊化的設(shè)計(jì)方法將控制任務(wù)分配給下位機(jī)或運(yùn)動(dòng)控制卡，由一個(gè)或多個(gè)下位機(jī)對(duì)超冗余機(jī)器人的眾多驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行控制，再由上位機(jī)進(jìn)行總體調(diào)度，從而彌補(bǔ)單PC在運(yùn)算能力方面的不足。開放式控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)自身需求選擇合適的功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)的集成和擴(kuò)展，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈活性和易用性。根據(jù)下位機(jī)的種類不同，超冗余機(jī)器人的開放式控制系統(tǒng)可進(jìn)一步分為PC+PC、PC+分布式控制器、PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡等多種控制模式[9]。PC雖然具有通用性強(qiáng)、開發(fā)環(huán)境良好、操作界面簡(jiǎn)單直觀等作為上位機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但它不是實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，不適合在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制任務(wù)中擔(dān)當(dāng)下位機(jī)的職責(zé)，而運(yùn)動(dòng)控制卡具有實(shí)時(shí)性好、伺服控制能力優(yōu)秀的長(zhǎng)處，能夠和PC 實(shí)現(xiàn)很好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式逐漸成為超冗余機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)的主流選擇[10]。

1.2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件是控制系統(tǒng)與用戶之間的橋梁，用戶通過(guò)控制軟件界面發(fā)送各種指令控制機(jī)器人滿足一定的功能需求。超冗余機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)控制軟件的設(shè)計(jì)方法提出了更高的要求。要建立一個(gè)簡(jiǎn)潔、實(shí)用性強(qiáng)的控制軟件系統(tǒng)需要遵循模塊化和層次化的設(shè)計(jì)原則。模塊化的設(shè)計(jì)原則即根據(jù)控制軟件的不同功能需求將軟件劃分為不同的功能模塊，每個(gè)模塊既相對(duì)獨(dú)立，又可以互相組合以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。遵循這樣的設(shè)計(jì)原則，不僅便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)和升級(jí)，而且方便開發(fā)人員對(duì)軟件的故障診斷排查。而層次化的設(shè)計(jì)原則要求將軟件不同的功能模塊劃分為職能各異的層次，每個(gè)職能層中的各個(gè)功能模塊相互結(jié)合，在控制系統(tǒng)中擔(dān)任不同的任務(wù)。對(duì)于軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方便開發(fā)人員在開發(fā)過(guò)程中對(duì)整個(gè)軟件有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，便于開發(fā)人員之間的分工合作。

根據(jù)不同的職能，超冗余機(jī)器人軟件系統(tǒng)可以自上而下分為4個(gè)層次：應(yīng)用層、功能層、執(zhí)行層和驅(qū)動(dòng)層，每個(gè)層次包含著多個(gè)功能模塊[11]。各層次的關(guān)系和功能模塊分布如圖2所示。

圖2 超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

超冗余機(jī)器人控制軟件各層次及模塊的具體功能如下。

（1）應(yīng)用層。包括面向用戶的功能及對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度的功能。該層主要包含的功能模塊有人機(jī)交互界面模塊、任務(wù)管理模塊、系統(tǒng)參數(shù)管理模塊和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控模塊。人機(jī)交互界面模塊便于用戶輸入和監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)，以便對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制和維護(hù)。任務(wù)管理模塊為用戶指定機(jī)器人任務(wù)提供接口。系統(tǒng)參數(shù)管理模塊可對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)管理。狀態(tài)監(jiān)控模塊能夠幫助用戶了解機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)。

（2）功能層。主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及三維仿真。該層次主要包含的模塊有運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊、軌跡規(guī)劃模塊、軌跡插補(bǔ)模塊、仿真模塊。運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊是針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)生成不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，軌跡規(guī)劃模塊是對(duì)任務(wù)模塊中的特定任務(wù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，軌跡插補(bǔ)模塊是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行插補(bǔ)，使機(jī)器人能夠平穩(wěn)無(wú)沖擊地運(yùn)動(dòng)。

（3）執(zhí)行層。執(zhí)行層是功能層和驅(qū)動(dòng)層的樞紐，將具體的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)任務(wù)轉(zhuǎn)化為對(duì)每個(gè)伺服電機(jī)的控制。該層主要包括運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)調(diào)用模塊與數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)調(diào)用模塊。這些模塊可以調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的函數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層電機(jī)以及外圍設(shè)備的控制。

（4）驅(qū)動(dòng)層。驅(qū)動(dòng)層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制，以及外圍設(shè)備的控制，比如繼電器、按鈕、指示燈等。該層主要包括多軸伺服驅(qū)動(dòng)模塊與通訊、IO驅(qū)動(dòng)模塊。

以上層級(jí)與模塊包括了超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件所需實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)基本功能。根據(jù)不同的任務(wù)要求及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，也可以對(duì)這些模塊進(jìn)行進(jìn)一步地重組或細(xì)分，以改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，方便用戶使用。

2 超冗余機(jī)器人控制方法

超冗余機(jī)器人的控制方法是超冗余機(jī)器人研究中最重要、也最復(fù)雜的問(wèn)題之一[12]。超冗余機(jī)器人輸入變量多，動(dòng)力學(xué)非線性強(qiáng)，耦合程度高，因而難以建立精確的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而影響控制精度。此外，超冗余機(jī)器人的系統(tǒng)中還存在許多難以精確辨識(shí)的未知參數(shù)，其部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)也會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷變化，加上大量自由度帶來(lái)的龐大計(jì)算量負(fù)擔(dān)，這些都為超冗余機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制帶來(lái)了困難[13]?？偟膩?lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的控制方法難以滿足超冗余機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求。目前學(xué)界已經(jīng)針對(duì)超冗余機(jī)器人的控制提出了多種方法，如PID 控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂频萚14]。

2.1 PID控制

超冗余機(jī)器人研究初期，由于缺乏合適的控制模型和理論，大多數(shù)機(jī)器人都選用傳統(tǒng)的PID 算法進(jìn)行控制[15]。最早研究超冗余機(jī)器人控制方法的Jones 和Walker[16]針對(duì)其研發(fā)的OctArm 超冗余機(jī)械臂，采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)節(jié)空間PD 控制器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)位姿控制。Ivanescu等探討了連續(xù)型機(jī)械臂卷曲抓取運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，基于Kahman-Yakubovich-Popov 引理和比例微分算法提出了連續(xù)型機(jī)械臂的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)抓取物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的載荷控制進(jìn)行了分析[17]。傳統(tǒng)PID 控制算法對(duì)復(fù)雜度極高的超冗余機(jī)器人來(lái)說(shuō)效果并不是很理想，但是其原理簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)使其適于針對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)。徐文福等[18]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合動(dòng)力學(xué)前饋環(huán)節(jié)的PD控制算法對(duì)繩驅(qū)動(dòng)超冗余機(jī)器人進(jìn)行了控制，并對(duì)繩索建立了精細(xì)的動(dòng)力學(xué)模型，從而提高了控制精度。覃程錦等[19]研究了一種結(jié)合計(jì)算力矩PD控制與繩索拉力優(yōu)化的繩驅(qū)動(dòng)超冗余機(jī)器人控制算法，該算法能夠在確保繩索拉力在許用范圍內(nèi)的前提下有效減小外力擾動(dòng)帶來(lái)的軌跡跟蹤誤差。

2.2 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是一種建立在模糊邏輯基礎(chǔ)上的控制方法。模糊邏輯適合處理具有較強(qiáng)不確定和不精確性的系統(tǒng)，然而對(duì)時(shí)變的、非線性不確定的復(fù)雜系統(tǒng)采用模糊控制時(shí)控制規(guī)則的設(shè)定將會(huì)過(guò)于繁復(fù)；而自適應(yīng)控制通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，在線調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)則,從而彌補(bǔ)模糊邏輯控制的不足，實(shí)現(xiàn)魯棒控制[20]。Yi等[21]設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)PD控制策略，結(jié)合機(jī)器人本體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)冗余機(jī)械臂進(jìn)行控制，該方法利用模糊邏輯，考慮機(jī)器人仿人類姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)特性，基于角動(dòng)量誤差主動(dòng)調(diào)整各項(xiàng)控制參數(shù)。Benzaoui 等[22]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)不確定模型的冗余機(jī)器人的模糊自適應(yīng)控制方案，通過(guò)濾波跟蹤誤差將機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)并入自適應(yīng)模糊控制，并驗(yàn)證了使用該方法控制的機(jī)械臂在復(fù)雜環(huán)境中的避障性能。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人的位置和誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償，從而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制的技術(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)需建立精確的動(dòng)力學(xué)模型，而是通過(guò)非線性學(xué)習(xí)逼近控制對(duì)象的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，從而避開復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程而較為準(zhǔn)確地完成辨識(shí)任務(wù)，適合對(duì)復(fù)雜非線性、難以獲得精確動(dòng)力學(xué)模型的機(jī)器人進(jìn)行控制和參數(shù)辨識(shí)[23]。Braganza 等[24]研究了連續(xù)型冗余機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前饋分量對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償以應(yīng)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)不確定性，有效地改善了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)跟隨誤差。Jasour 等[25]設(shè)計(jì)了一種適用于非線性模型機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制方法，該方法可以跟蹤給定的運(yùn)動(dòng)路徑或目標(biāo)位姿，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中兼顧回避障礙物及奇異位形。對(duì)于模型復(fù)雜非線性的超冗余機(jī)器人來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也是一個(gè)較好的選擇，然而由于超冗余機(jī)器人自由度數(shù)量過(guò)多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，難以用于實(shí)時(shí)控制。

2.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)貼近預(yù)設(shè)的滑模面，從而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的非線性控制方法，具有響應(yīng)速度快、無(wú)需在線辨識(shí)、受擾動(dòng)及參數(shù)變化影響小等優(yōu)勢(shì)，然而其控制對(duì)象在到達(dá)滑模面后容易在滑模面兩側(cè)反復(fù)穿越，引發(fā)抖振現(xiàn)象[26]。Popescu 等[27]對(duì)一類超冗余機(jī)器人的滑?？刂普归_了研究，將超冗余機(jī)器人視為一個(gè)無(wú)限維系統(tǒng)，并使用空間加權(quán)誤差控制將其轉(zhuǎn)換成有限維系統(tǒng)的控制問(wèn)題，從而提出了基于加權(quán)誤差滑?？刂频乃惴ǎ?duì)此方法控制的機(jī)器人進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。Kapadia[28]和Rucker[29]設(shè)計(jì)了一種基于非線性全動(dòng)態(tài)模型的連續(xù)型機(jī)器人滑模控制策略。該方法適用于同時(shí)具有伸縮及彎曲運(yùn)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人。H K Lam等[30]將滑模變結(jié)構(gòu)控制與模糊邏輯結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種模糊滑模控制方法，將其用于具有彎曲和伸縮運(yùn)動(dòng)的柔性連續(xù)型超冗余機(jī)械臂的控制。該方法在滑?？刂频幕A(chǔ)上引入反饋增益，在維持滑?？刂启敯粜詮?qiáng)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)抑制了系統(tǒng)的抖振問(wèn)題，得到了良好的跟蹤控制效果。

2.5 其他控制方法

除上述控制方法之外，還有很多被用于超冗余機(jī)器人控制的創(chuàng)新方法。Chang 等[31]提出了一種模塊化控制方法，該方法將超冗余機(jī)器人分割成若干個(gè)較小的獨(dú)立模塊，并使用基于雅可比矩陣的控制算法對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行控制，該方法在充分發(fā)揮機(jī)器人各模塊的冗余性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)能夠有效降低計(jì)算負(fù)擔(dān)。Pomares等[32]提出了一種冗余機(jī)器人的動(dòng)態(tài)視覺控制方法，該方法應(yīng)用混沌控制器對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，在不同速度狀態(tài)下均具有較好的控制性能。Lafmejani 等[33]設(shè)計(jì)了一種用于仿章魚觸手型超冗余機(jī)器人的軌跡跟隨控制的分散式控制器，該控制器能夠?qū)⒏咦杂啥葯C(jī)器人的非線性控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為基于線性矩陣不等式的優(yōu)化控制問(wèn)題，從而顯著降低了控制算法的復(fù)雜程度。

總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的各種繩驅(qū)動(dòng)超冗余機(jī)器人控制方法從不同的方面得到了更好的控制效果，然而由于繩驅(qū)動(dòng)超冗余機(jī)器人固有的復(fù)雜性，這些計(jì)算方法通常有各自的局限性，有待進(jìn)一步的研究予以發(fā)展和檢驗(yàn)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)研究面臨的主要問(wèn)題在于超冗余機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性和強(qiáng)耦合性，以及由此帶來(lái)的控制系統(tǒng)和控制算法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大的問(wèn)題。由此預(yù)見，未來(lái)超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要研究方向?qū)?huì)側(cè)重于以下方面：

（1）軟硬件系統(tǒng)方面。超冗余機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)不僅在于其結(jié)構(gòu)帶來(lái)的靈活性，也在于其在模塊化可重構(gòu)設(shè)計(jì)方面的潛力，可以通過(guò)拆裝重組來(lái)實(shí)現(xiàn)自由度數(shù)目的改變或功能模塊的更換，而為了發(fā)揮它的這一優(yōu)勢(shì)就需要對(duì)它的開放式控制系統(tǒng)展開進(jìn)一步的研究，開發(fā)更具通用性、靈活性的軟硬件框架，使超冗余機(jī)器人能夠更方便的進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，從而應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜多變的工作要求。

（2）數(shù)學(xué)模型方面。超冗余機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解存在無(wú)窮多解，動(dòng)力學(xué)解也存在高度的耦合性和不精確性，這些因素導(dǎo)致超冗余機(jī)器人數(shù)學(xué)模型計(jì)算效率低下、求解精度有限，從根本上制約了超冗余機(jī)器人的實(shí)時(shí)精確控制技術(shù)的發(fā)展。因此，通過(guò)引入智能高效算法對(duì)超冗余機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行優(yōu)化、用合適的方法對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的不確定性部分進(jìn)行估算和補(bǔ)償，可以顯著降低超冗余機(jī)器人控制過(guò)程中的計(jì)算量，提高超冗余機(jī)器人的控制性能。

（3）控制算法方面。目前關(guān)于超冗余機(jī)器人的控制算法已經(jīng)有了很多創(chuàng)造性的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制效果，但這些算法大多存在諸如計(jì)算過(guò)程繁瑣、通用性不強(qiáng)、應(yīng)對(duì)外部擾動(dòng)效果不佳等不足。為了進(jìn)一步提升超冗余機(jī)器人的控制性能，有必要繼續(xù)研究超冗余機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制算法和誤差補(bǔ)償技術(shù)，引入智能優(yōu)化算法以提升控制算法的計(jì)算效率，并針對(duì)開放式超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用性更強(qiáng)的控制算法，在各種復(fù)雜的工作環(huán)境下對(duì)控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定更適合超冗余機(jī)器人的控制算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

超冗余機(jī)器人作為一種多自由度、高復(fù)雜度的機(jī)器人，在具有更好的靈活性的同時(shí)，其控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題也比傳統(tǒng)機(jī)器人更加困難。本文介紹了超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，劃分并論述了開放式控制系統(tǒng)的硬件及軟件各層次的功能，指出超冗余機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)向開放式、模塊化的方向發(fā)展。隨后，列舉了當(dāng)前用于超冗余機(jī)器人控制的幾種常用方法，并分析了它們各自的優(yōu)勢(shì)和不足?？偟膩?lái)說(shuō)，目前超冗余機(jī)器人控制技術(shù)方面的研究已經(jīng)有了相當(dāng)多的成果，但在數(shù)學(xué)模型的建立方法和高效控制算法的研究等方面仍有不足，有待進(jìn)一步的研究發(fā)展。隨著未來(lái)超冗余機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多，超冗余機(jī)器人控制技術(shù)相關(guān)的研究也必將更受矚目。