淺談機器人控制研究的重要性

馬勇

摘 要：21世紀，世界科學水平迅猛發展，機器人作為最熱門的研究之一，被越來越多的人熟知并應用。機器人是自動執行工作的機器裝置，廣泛應用于工業、軍事、教育等行業，可以說當前機器人產業面臨空前的發展機遇，為此，各國、各公司將大量資金投入于研究開發中，希望可以在機器人領域占有一席之地。在眾多的研究中，作為機器人的“大腦”，機器人控制技術顯得尤為重要，它掌握著每個機器人的運動軌跡、工作時間以及完成工作所需步驟等等，可以說如果機器人控制研究有所突破，整個機器人技術都會有質的飛躍。

關鍵詞：自動化；機器人；控制

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0063-02

機器人產業是新興產業之一，是人類現在以及未來重點研究和開發的項目之一。機器人技術可以應用于多個領域，加快社會的發展，使人類生活水平大大提高。但目前機器人技術水平還處于初級階段，研發工作存在大量低水平的重復，機器人產業沒有進行專業的產業分工。因此，機器人模塊化系統化研究尤為重要，而機器人控制系統就為其中不可缺少的一環。

1 機器人的簡介

1.1 執行機構

機器人的執行機構即為機器人的本體，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。臂部為機器人的主要部分，一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）被稱為關節，一個機器人有多少個關節，其自由度數就為多少，而且根據關節配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節坐標式等類型。對于執行機構中的控制系統，一般可以分為兩類，一類是由一個微型計算機全部完成控制，另一類是由一個主機加上多個微型計算機共同完成。根據機器人的任務有所不同，機器人控制方式可分為點位控制、連續軌跡控制以及力矩控制。

1.2 分類情況

機器人可應用于工廠、學校以及農場等多個地方，可以說其用途十分廣泛，因此它的種類也豐富多樣。對于機器人的分類，國際上還沒有一個明確統一的標準，我國機器人學者根據機器人應用環境的不同，將其分為了工業機器人和特種機器人兩大類。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，它能自動執行工作，靠自身動力和控制能力來實現各個功能。特種機器人是除了工業機器人以外其他非制造行業的機器人的總稱。特種機器人種類繁多，包括：服務機器人、娛樂機器人、家務機器人、軍用機器人等。相比較于工業機器人，這種機器人大多服務于人類，更貼近人類，是人類生活更加智能化、現代化的重要保障。

1.3 發展歷史

機器人是人類最渴望制造出來的“朋友”，全球科學家也為此奮斗了數十年甚至上百年。機器人一詞最早出現在作家卡雷爾·恰佩克的一部科幻小說中。1939年，世界上第一個機器人在紐約世博會上展出，這也使機器人走入人們的視線里。之后的20多年，全世界未能在機器人研發上有所突破，但其中一些理論卻對機器人研究影響深遠。1959年，德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出第一臺工業機器人，這也掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。1960年以后，機器人的研究進入突飛猛進的階段，傳感器研究日趨成熟，也使得機器人越來越智能化，越來越貼近于生活。邁入21世紀，智能機器人研究已成為全世界科研中必不可少的一項，娛樂機器人等的出現，使機器人逐漸邁入普通家庭。

2 機器人控制系統的構成（硬件）

機器人控制系統是機器人的“大腦”，決定了機器人的功能和性能，它的主要任務是控制機器人的運動位置、軌跡、操作順序及工作時間等。機器人控制系統相當復雜，也極其重要，是機器人系統的重要組成部分。控制系統本質是一個非線性、多變量控制的系統。控制計算機是控制系統的調度指揮機構，一般為微型計算機。示教盒實現了人機交互操作以及與主計算機之間的信息交流。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。再說傳感器接口，相當于機器人的“眼睛”，它是機器人對外界信息接收、檢測的媒介，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。軸控制器是機器人的“神經系統”，它完成了對機器人各個關節位置、速度以及加速度的統一調控。可以說機器人是由一個個微小部件結合在一起的組合體，每一部分缺一不可。

3 機器人控制系統相關技術簡介

3.1 電機的控制

電機，俗稱“馬達”，是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。在機器人控制系統中，電機用于驅動機器人的關節，使機器人完成制定工作。具體的來說，機器人電動驅動系統是利用各種電動機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構。機器人對驅動電機有很高的要求，快速性是首位，電機獲得指令信號后應快速進入工作狀態，響應指令信號的時間越短，工作效率越高。電機的起動轉矩慣量比要大，在驅動負載的情況下，要求機器人的電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。電動機要有較寬的調速范圍，一般的調速范圍為1：1000～10000。目前，直流伺服電動機廣泛應用于工業機器人中，它的高起動轉矩、大轉矩、低慣量的特點使工業生產效率得以提高。

3.2 傳感器信號的接入

機器人是由計算機控制的機器設備，來幫助人類，服務人類。機器人有類似于人類的肢體以及一部分感官功能，動作靈活且具有一定的智能化，可以在一定程度上不依賴于人類的操作。實現機器人的更加智能化，傳感器在其中起到了非常重要的作用。機器人傳感器可分為內部傳感器和外部傳感器兩部分。內部傳感器是檢測機器人本事狀態的傳感器，多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器便是機器人與外界信息相互交流的媒介，外部傳感器主要有觸覺傳感器、力覺傳感器、聽覺傳感器、視覺傳感器等，仿佛人類的五官和皮膚。在工作時，這些傳感器對外界物體進行全方位的檢測，檢測亮度、檢測色彩濃度、檢測物體外形以及檢測物體位置等等，將檢測的信號接入機器人微型計算機中，以便機器人對工作進行更加準確的判斷。例如機器人避障，通過傳感器進行紅外探測根據反射發出的特定頻率紅外線進行判斷有無障礙物和障礙物距離。正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應能力。

3.3 控制信號的輸出

機器人控制信號的輸出是控制系統中的重要組成部分。機器人的信號輸出是指通過某個數字輸出信號來表示當前某種運行狀態。輸出信號一般分為模擬信號和數字信號，以ABB機器人為例，模擬信號可以輸出0-10V電壓，數字信號輸出24V電壓。信號的輸出典型應用為機器人的執行錯誤、碰撞發生或急停狀態輸出。下面舉一些信號輸出功能：Motion Supervision Triggered機器人碰撞檢測功能被觸發；Pwer Fail Error電源故障；TCP Speed機器人運行速度等等。控制信號的輸出相當于機器人內部運作語言的表達，讓機器人的工作更加系統化。

4 機器人控制系統的設計

在世界范圍內，機器人技術作為戰略高技術，無論推動國防軍事、智能制造裝備、資源開發，還是發展未來機器人產業，各國都十分重視其發展。在這種趨勢下，機器人性能不斷完善，向智能化、標準化、網絡化方向不斷發展。機器人控制技術作為主流研究方向，對新型系統的設計十分熱門。機器人控制系統可分為開放式與封閉式兩種。自從機器人誕生以來，大部分控制系統均采用封閉式，其代表Puma560工業機器人，但隨著任務的復雜化，封閉式的局限性日益顯現，所以對于開放式控制系統的設計與研發是目前的趨勢。

5 結語

機器人隨時間的推進而不斷更新改進，它們具備越來越多與人類相似的智能能力，如感知能力、規劃能力等。作為一個復雜的綜合系統，機器人的控制系統在其中顯得尤為重要，隨著機器人功能的日益復雜，設計一個強大的機器人控制系統，將是一項十分有意義的工作。

參考文獻

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