浅谈机器人控制研究的重要性

马勇

摘 要：21世纪，世界科学水平迅猛发展，机器人作为最热门的研究之一，被越来越多的人熟知并应用。机器人是自动执行工作的机器装置，广泛应用于工业、军事、教育等行业，可以说当前机器人产业面临空前的发展机遇，为此，各国、各公司将大量资金投入于研究开发中，希望可以在机器人领域占有一席之地。在众多的研究中，作为机器人的“大脑”，机器人控制技术显得尤为重要，它掌握着每个机器人的运动轨迹、工作时间以及完成工作所需步骤等等，可以说如果机器人控制研究有所突破，整个机器人技术都会有质的飞跃。

关键词：自动化；机器人；控制

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0063-02

机器人产业是新兴产业之一，是人类现在以及未来重点研究和开发的项目之一。机器人技术可以应用于多个领域，加快社会的发展，使人类生活水平大大提高。但目前机器人技术水平还处于初级阶段，研发工作存在大量低水平的重复，机器人产业没有进行专业的产业分工。因此，机器人模块化系统化研究尤为重要，而机器人控制系统就为其中不可缺少的一环。

1 机器人的简介

1.1 执行机构

机器人的执行机构即为机器人的本体，出于拟人化考虑，可以将其分为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。臂部为机器人的主要部分，一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）被称为关节，一个机器人有多少个关节，其自由度数就为多少，而且根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。对于执行机构中的控制系统，一般可以分为两类，一类是由一个微型计算机全部完成控制，另一类是由一个主机加上多个微型计算机共同完成。根据机器人的任务有所不同，机器人控制方式可分为点位控制、连续轨迹控制以及力矩控制。

1.2 分类情况

机器人可应用于工厂、学校以及农场等多个地方，可以说其用途十分广泛，因此它的种类也丰富多样。对于机器人的分类，国际上还没有一个明确统一的标准，我国机器人学者根据机器人应用环境的不同，将其分为了工业机器人和特种机器人两大类。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，它能自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现各个功能。特种机器人是除了工业机器人以外其他非制造行业的机器人的总称。特种机器人种类繁多，包括：服务机器人、娱乐机器人、家务机器人、军用机器人等。相比较于工业机器人，这种机器人大多服务于人类，更贴近人类，是人类生活更加智能化、现代化的重要保障。

1.3 发展历史

机器人是人类最渴望制造出来的“朋友”，全球科学家也为此奋斗了数十年甚至上百年。机器人一词最早出现在作家卡雷尔·恰佩克的一部科幻小说中。1939年，世界上第一个机器人在纽约世博会上展出，这也使机器人走入人们的视线里。之后的20多年，全世界未能在机器人研发上有所突破，但其中一些理论却对机器人研究影响深远。1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人，这也掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1960年以后，机器人的研究进入突飞猛进的阶段，传感器研究日趋成熟，也使得机器人越来越智能化，越来越贴近于生活。迈入21世纪，智能机器人研究已成为全世界科研中必不可少的一项，娱乐机器人等的出现，使机器人逐渐迈入普通家庭。

2 机器人控制系统的构成（硬件）

机器人控制系统是机器人的“大脑”，决定了机器人的功能和性能，它的主要任务是控制机器人的运动位置、轨迹、操作顺序及工作时间等。机器人控制系统相当复杂，也极其重要，是机器人系统的重要组成部分。控制系统本质是一个非线性、多变量控制的系统。控制计算机是控制系统的调度指挥机构，一般为微型计算机。示教盒实现了人机交互操作以及与主计算机之间的信息交流。操作面板顾名思义是各种按键、指示灯的载体，以便完成基本操作。再说传感器接口，相当于机器人的“眼睛”，它是机器人对外界信息接收、检测的媒介，一般为力觉、触觉和视觉传感器。轴控制器是机器人的“神经系统”，它完成了对机器人各个关节位置、速度以及加速度的统一调控。可以说机器人是由一个个微小部件结合在一起的组合体，每一部分缺一不可。

3 机器人控制系统相关技术简介

3.1 电机的控制

电机，俗称“马达”，是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。在机器人控制系统中，电机用于驱动机器人的关节，使机器人完成制定工作。具体的来说，机器人电动驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。机器人对驱动电机有很高的要求，快速性是首位，电机获得指令信号后应快速进入工作状态，响应指令信号的时间越短，工作效率越高。电机的起动转矩惯量比要大，在驱动负载的情况下，要求机器人的电动机的起动转矩大，转动惯量小。电动机要有较宽的调速范围，一般的调速范围为1：1000～10000。目前，直流伺服电动机广泛应用于工业机器人中，它的高起动转矩、大转矩、低惯量的特点使工业生产效率得以提高。

3.2 传感器信号的接入

机器人是由计算机控制的机器设备，来帮助人类，服务人类。机器人有类似于人类的肢体以及一部分感官功能，动作灵活且具有一定的智能化，可以在一定程度上不依赖于人类的操作。实现机器人的更加智能化，传感器在其中起到了非常重要的作用。机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器两部分。内部传感器是检测机器人本事状态的传感器，多为检测位置和角度的传感器。外部传感器便是机器人与外界信息相互交流的媒介，外部传感器主要有触觉传感器、力觉传感器、听觉传感器、视觉传感器等，仿佛人类的五官和皮肤。在工作时，这些传感器对外界物体进行全方位的检测，检测亮度、检测色彩浓度、检测物体外形以及检测物体位置等等，将检测的信号接入机器人微型计算机中，以便机器人对工作进行更加准确的判断。例如机器人避障，通过传感器进行红外探测根据反射发出的特定频率红外线进行判断有无障碍物和障碍物距离。正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

3.3 控制信号的输出

机器人控制信号的输出是控制系统中的重要组成部分。机器人的信号输出是指通过某个数字输出信号来表示当前某种运行状态。输出信号一般分为模拟信号和数字信号，以ABB机器人为例，模拟信号可以输出0-10V电压，数字信号输出24V电压。信号的输出典型应用为机器人的执行错误、碰撞发生或急停状态输出。下面举一些信号输出功能：Motion Supervision Triggered机器人碰撞检测功能被触发；Pwer Fail Error电源故障；TCP Speed机器人运行速度等等。控制信号的输出相当于机器人内部运作语言的表达，让机器人的工作更加系统化。

4 机器人控制系统的设计

在世界范围内，机器人技术作为战略高技术，无论推动国防军事、智能制造装备、资源开发，还是发展未来机器人产业，各国都十分重视其发展。在这种趋势下，机器人性能不断完善，向智能化、标准化、网络化方向不断发展。机器人控制技术作为主流研究方向，对新型系统的设计十分热门。机器人控制系统可分为开放式与封闭式两种。自从机器人诞生以来，大部分控制系统均采用封闭式，其代表Puma560工业机器人，但随着任务的复杂化，封闭式的局限性日益显现，所以对于開放式控制系统的设计与研发是目前的趋势。

5 结语

机器人随时间的推进而不断更新改进，它们具备越来越多与人类相似的智能能力，如感知能力、规划能力等。作为一个复杂的综合系统，机器人的控制系统在其中显得尤为重要，随着机器人功能的日益复杂，设计一个强大的机器人控制系统，将是一项十分有意义的工作。

参考文献

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[2]刘金琨.机器人控制系统的设计与Matlab仿真[M].清华大学出版社，2008.

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