馬勇

摘 要：21世紀，世界科學水平迅猛發(fā)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(zhí)行工作的機器裝置，廣泛應用于工業(yè)、軍事、教育等行業(yè)，可以說當前機器人產(chǎn)業(yè)面臨空前的發(fā)展機遇，為此，各國、各公司將大量資金投入于研究開發(fā)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(zhì)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(chǎn)業(yè)是新興產(chǎn)業(yè)之一，是人類現(xiàn)在以及未來重點研究和開發(fā)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(fā)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(fā)工作存在大量低水平的重復，機器人產(chǎn)業(yè)沒有進行專業(yè)的產(chǎn)業(yè)分工。因此，機器人模塊化系統(tǒng)化研究尤為重要，而機器人控制系統(tǒng)就為其中不可缺少的一環(huán)。

1 機器人的簡介

1.1 執(zhí)行機構(gòu)

機器人的執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）被稱為關節(jié)，一個機器人有多少個關節(jié)，其自由度數(shù)就為多少，而且根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。對于執(zhí)行機構(gòu)中的控制系統(tǒng)，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(jù)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(xù)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(nóng)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(tǒng)一的標準，我國機器人學者根據(jù)機器人應用環(huán)境的不同，將其分為了工業(yè)機器人和特種機器人兩大類。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人，它能自動執(zhí)行工作，靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各個功能。特種機器人是除了工業(yè)機器人以外其他非制造行業(yè)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(yè)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(xiàn)代化的重要保障。

1.3 發(fā)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(shù)十年甚至上百年。機器人一詞最早出現(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(fā)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(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)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(xiàn)，使機器人逐漸邁入普通家庭。

2 機器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成（硬件）

機器人控制系統(tǒng)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(tǒng)相當復雜，也極其重要，是機器人系統(tǒng)的重要組成部分?？刂葡到y(tǒng)本質(zhì)是一個非線性、多變量控制的系統(tǒng)?？刂朴嬎銠C是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)，一般為微型計算機。示教盒實現(xiàn)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(jīng)系統(tǒng)”，它完成了對機器人各個關節(jié)位置、速度以及加速度的統(tǒng)一調(diào)控。可以說機器人是由一個個微小部件結(jié)合在一起的組合體，每一部分缺一不可。

3 機器人控制系統(tǒng)相關技術簡介

3.1 電機的控制

電機，俗稱“馬達”，是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在機器人控制系統(tǒng)中，電機用于驅(qū)動機器人的關節(jié)，使機器人完成制定工作。具體的來說，機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。機器人對驅(qū)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(tài)，響應指令信號的時間越短，工作效率越高。電機的起動轉(zhuǎn)矩慣量比要大，在驅(qū)動負載的情況下，要求機器人的電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。電動機要有較寬的調(diào)速范圍，一般的調(diào)速范圍為1：1000～10000。目前，直流伺服電動機廣泛應用于工業(yè)機器人中，它的高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的特點使工業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)部傳感器和外部傳感器兩部分。內(nèi)部傳感器是檢測機器人本事狀態(tài)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(jù)反射發(fā)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(tǒng)中的重要組成部分。機器人的信號輸出是指通過某個數(shù)字輸出信號來表示當前某種運行狀態(tài)。輸出信號一般分為模擬信號和數(shù)字信號，以ABB機器人為例，模擬信號可以輸出0-10V電壓，數(shù)字信號輸出24V電壓。信號的輸出典型應用為機器人的執(zhí)行錯誤、碰撞發(fā)生或急停狀態(tài)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(fā)；Pwer Fail Error電源故障；TCP Speed機器人運行速度等等?？刂菩盘柕妮敵鱿喈斢跈C器人內(nèi)部運作語言的表達，讓機器人的工作更加系統(tǒng)化。

4 機器人控制系統(tǒng)的設計

在世界范圍內(nèi)，機器人技術作為戰(zhàn)略高技術，無論推動國防軍事、智能制造裝備、資源開發(fā)，還是發(fā)展未來機器人產(chǎn)業(yè)，各國都十分重視其發(fā)展。在這種趨勢下，機器人性能不斷完善，向智能化、標準化、網(wǎng)絡化方向不斷發(fā)展。機器人控制技術作為主流研究方向，對新型系統(tǒng)的設計十分熱門。機器人控制系統(tǒng)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(tǒng)均采用封閉式，其代表Puma560工業(yè)機器人，但隨著任務的復雜化，封閉式的局限性日益顯現(xiàn)，所以對于開放式控制系統(tǒng)的設計與研發(fā)是目前的趨勢。

5 結(jié)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(guī)劃能力等。作為一個復雜的綜合系統(tǒng)，機器人的控制系統(tǒng)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(tǒng)，將是一項十分有意義的工作。

參考文獻

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