摘要：運動控制技術(shù)已成為機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了機器人的分類以及各種應(yīng)用方向，分析了不同運動控制在機器人上的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了智能移動機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及世界各國智能移動機器人的發(fā)展水平，然后討論了運動控制在智能移動機器人中的發(fā)展趨勢以及對未來技術(shù)的展望。

關(guān)鍵詞：智能移動機器人；運動控制；發(fā)展前景、

前言

機器人是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。智能移動機器人則是一個在感知-思維-效應(yīng)方面全面模擬人的機器系統(tǒng)，外形不一定像人。它是人工智能技術(shù)的綜合試驗場，可以全面地考察人工智能各個領(lǐng)域的技術(shù)，研究它們相互之間的關(guān)系。還可以在有害環(huán)境中代替人從事危險工作、上天下海、戰(zhàn)場作業(yè)等方面大顯身手。一部智能移動機器人應(yīng)該具備三方面的能力：感知環(huán)境的能力、執(zhí)行某種任務(wù)而對環(huán)境施加影響的能力和把感知與行動聯(lián)系起來的能力。智能移動機器人與工業(yè)機器人的根本區(qū)別在于，智能移動機器人具有感知功能與識別、判斷及規(guī)劃功

隨著智能移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，人們期望智能移動機器人在更多領(lǐng)域為人類服務(wù)，代替人類完成更復(fù)雜的工作。然而,智能移動機器人所處的環(huán)境往往是未知的、很難預(yù)測。智能移動機器人所要完成的工作任務(wù)也越來越復(fù)雜;對智能移動機器人行為進(jìn)行人工分析、設(shè)計也變得越來越困難。目前，國內(nèi)外對智能移動機器人的研究不斷深入。

高速度高精度的運動控制是工業(yè)機器人的優(yōu)勢。工業(yè)機器人固定在工位上完成相應(yīng)的搬運，焊接，噴涂，拋光，上下料等工作，工作效率很高。但在工廠換線的時候需要對機器人進(jìn)行重新布局和編程，造成工廠停工時間長。而協(xié)作機器人布局靈活，可以裝在移動平臺上，提高了機器人的運動能力和產(chǎn)線的柔性，可以靈活部署。最近幾年大公司對機器人移動能力的方向非常關(guān)注，有很多起對移動機器人的收購兼并案例。而各種各樣的服務(wù)機器人對運動能力的要求更是有增無減，波士頓動力的ATLAS機器人的運動能力就達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。

1、智能機器人發(fā)展現(xiàn)狀

智能移動機器人是第三代機器人，這種機器人帶有多種傳感器,能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。

目前研制中的智能移動機器人智能水平并不高，只能說是智能移動機器人的初級階段。智能移動機器人研究中當(dāng)前的核心問題有兩方面：一方面是，提高智能移動機器人的自主性，這是就智能移動機器人與人的關(guān)系而言，即希望智能移動機器人進(jìn)一步獨立于人，具有更為友善的人機界面。從長遠(yuǎn)來說，希望操作人員只要給出要完成的任務(wù)，而機器能自動形成完成該任務(wù)的步驟，并自動完成它。另一方面是，提高智能移動機器人的適應(yīng)性，提高智能移動機器人適應(yīng)環(huán)境變化的能力，這是就智能移動機器人與環(huán)境的關(guān)系而言，希望加強它們之間的交互關(guān)系。

智能移動機器人涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)關(guān)系到智能移動機器人的智能性的高低。這些關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個方面：多傳感信息耦合技術(shù)，多傳感器信息融合就是指綜合來自多個傳感器的感知數(shù)據(jù),以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息，經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對象的特性,消除信息的不確定性,提高信息的可靠性；導(dǎo)航和定位技術(shù)，在自主移動機器人導(dǎo)航中，無論是局部實時避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)；路徑規(guī)劃技術(shù)，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑；機器人視覺技術(shù)，機器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識；智能控制技術(shù)，智能控制方法提高了機器人的速度及精度；人機接口技術(shù)，人機接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計算機交流。

在各國的智能移動機器人發(fā)展中，美國的智能移動機器人技術(shù)在國際上一直處于領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強，性能可靠、功能全面、精確度高，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用。日本由于一系列扶植政策，各類機器人包括智能移動機器人的發(fā)展迅速。歐洲各國在智能移動機器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。中國起步較晚，而后進(jìn)入了大力發(fā)展的時期，以期以機器人為媒介物推動整個制造業(yè)的改變，推動整個高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的壯大。

2、運動控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景

隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展,世界各國對運動控制技術(shù)越來越重視。各種運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品如雨后春筍層出不窮。下面介紹幾種有代表性的運動控制技術(shù)。

2.1全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)(FullClosedACServo)

在一些定位精度或動態(tài)響應(yīng)要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中,廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器對電機軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣,在驅(qū)動器和電機之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置控制分辨率高,可靠性好。

通常情況下,帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng),位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機的編碼器,對于傳動鏈上的間隙及誤差還不能補償克服,只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。日本松下公司新近推出了一種更加完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷,位置環(huán)的采樣可以直接采自裝在最后一級機械上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等),而電機上的編碼器此時僅作為速度環(huán)的反饋,這樣就可以消除機械存在的一些間隙,并且該伺服系統(tǒng)還可以對機械傳動上出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補償,達(dá)到真正全閉環(huán)的功能,實現(xiàn)高精度的位置控制。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等高精度數(shù)控設(shè)備。

2.2直線電機驅(qū)動技術(shù)(LinerMotorDriving)

近幾年來,直線電動機在機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,已在世界機床行業(yè)得到重視。在機床進(jìn)給系統(tǒng)中,采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電動機傳動的最大區(qū)別是前者取消了從電動機到工作臺之間的一切機械傳動環(huán)節(jié),把機床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零。這種傳動方式被稱為零傳動!。正是由于這種零傳動!方式,帶來了原旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達(dá)到的優(yōu)良性能和特點:一是響應(yīng)快。由于系統(tǒng)中取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件如絲杠等,使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高。二是精度高。直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)引起的傳動誤差,減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差,故大大提高了機床的定位精度。三是傳動剛度大。由于直接驅(qū)動,避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩檫磨損和反向間隙造成的滯后現(xiàn)象,大大提高了其傳動剛度。四是速度快且加減速過程短。直線電機最早應(yīng)用于磁懸浮列車(速度可達(dá)8300M/min),故在機床進(jìn)給驅(qū)動中使用直線電機,完全可以滿足機床超高速切削的最大進(jìn)給速度(60(100M/min)。也是由于其高速響應(yīng)性,使其加減速過程大大縮短。五是行程長度不受限制。在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機,可以無限延長其行程長度。六是運動安靜。由于取消了絲杠等部件的機械摩檫,且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌,其運動時噪音大大降低。七是效率高。由于無中間傳動環(huán)節(jié),消除了機械摩檫時的能量損耗,提高了傳動效率。因此該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于磁懸浮列車、高精度機床等設(shè)備。

運動控制主要包括：位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力矩控制；運動控制的按照動力實現(xiàn)方式不同，可以分為電機傳動，氣動和液壓。工業(yè)機器人主要采用交流伺服電機控制系統(tǒng)，交流伺服運動控制的趨勢基本上也是機器人運動控制的趨勢，比如性能提升，智能化，模塊化和網(wǎng)絡(luò)化等。而服務(wù)機器人的運動控制方式更加多樣化，技術(shù)路徑更加豐富多彩。

2.2.1電機的應(yīng)用：移動機器人平臺和小型人形機器人平臺

電機控制在機器人中應(yīng)用廣泛，特別是在人形機器人和移動平臺中，至少用幾十個電機，多的上百個電機。

2.2.2液壓和電機的混合應(yīng)用：人形機器人

美國DARPA(美國國防部先進(jìn)研究項目局)舉行的機器人比賽是展現(xiàn)人形機器人最先進(jìn)能力的比賽，比賽的機器人主要有兩種不同的技術(shù)路線，純電機驅(qū)動和液壓電機混合驅(qū)動，但實際情況是除了ATLAS是液壓外其他都是電機驅(qū)動。2015年大賽的第一名是韓國KAIST的機器人，全部運用電機方案，驅(qū)動80公斤重的機器人，需要的電機不僅數(shù)量多，電機的功率要求也高。第二名是波士頓動力的ATLAS，它是液壓和電機混合驅(qū)動的，主要的動力來自于液壓驅(qū)動，只有一些關(guān)節(jié)部分由于空間限制采用了電機。

3、運動控制發(fā)展前景

運動控制市場很大程度上取決于下游機械設(shè)備制造行業(yè)的景氣度，其中，機床行業(yè)是運動控制產(chǎn)品最大的下游市場。據(jù)IHS估算，2015年機床(金屬切削機床、金屬成形機床)超運動控制銷售額的40%，特別是數(shù)控產(chǎn)品高度集中于機床行業(yè)，超過八成的數(shù)控產(chǎn)品銷售額來自于該行業(yè)。IHS季度機械行業(yè)追蹤數(shù)據(jù)顯示機床行業(yè)在連續(xù)兩年的增長后，2015年出現(xiàn)下滑，特別是在亞太及美國市場的大幅下滑。中國是全球最大的機床生產(chǎn)及消費國，隨著經(jīng)濟增速及行業(yè)投資的放緩，金屬切削及成形機床均在2015年出現(xiàn)兩位數(shù)下滑，嚴(yán)重沖擊運動控制市場需求。美國機床行業(yè)同樣遭遇寒冬，行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2015年機床行業(yè)訂單比2014年減少17.4%。其他傳統(tǒng)自動化行業(yè)，如橡膠、塑料、紡織、造紙等行業(yè)需求低迷。食品飲料、包裝機械等消費品相關(guān)的下**業(yè)的需求穩(wěn)定。此外，機器人和智能手機相關(guān)的電子裝聯(lián)行業(yè)表現(xiàn)突出，強力支撐通用運動控產(chǎn)品的需求。

全球宏觀經(jīng)濟形勢及機械設(shè)備行業(yè)表現(xiàn)是深度影響運動控制市場走勢的兩大主要因素。IHS連續(xù)多年追蹤全球運動控制市場行情的數(shù)據(jù)顯示，該行業(yè)在近些年隨著全球經(jīng)濟環(huán)境的轉(zhuǎn)變及下流產(chǎn)業(yè)的需求變化呈現(xiàn)猛烈波動的趨勢。

工業(yè)4.0、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念的深入推廣與逐步落地，極大地推動了運動控制產(chǎn)品在工業(yè)以太網(wǎng)、模塊化及分布式伺服驅(qū)動器、深度軟件開發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展。目前，現(xiàn)場總線仍是伺服驅(qū)動器及控制器的主流通訊技術(shù)，2015年分別有53.5%及79.4%的驅(qū)動器及運動控制器通過現(xiàn)場總線連接網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)4.0，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣，要求實時、高效的工業(yè)設(shè)備通訊。IHS預(yù)計2015-2020年工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在運動控制市場的應(yīng)用將保持年均近20%的高速增長，逐步取代現(xiàn)場總線技術(shù)。在眾多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，西門子主導(dǎo)的PROFINET與羅克韋爾推行的EtherNet/IP受益于兩大公司在PLC及運動控制市場的主導(dǎo)地位，將保持強勢增長，此外，倍福主導(dǎo)研發(fā)的EtherCAT技術(shù)因其開源性在近年來越來越多地受到運動控制廠商的認(rèn)可，增速高于其他應(yīng)用于運動控制產(chǎn)品的通訊協(xié)議。IHS預(yù)計截至2020年，超六成的驅(qū)動器及近三成的運動控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

4、結(jié)論

運動控制市場依賴機床、包裝機械、機器人、半導(dǎo)體、電子等下游機械行業(yè)，隨下游市場波動較大。隨著行業(yè)應(yīng)用的不斷拓展，工業(yè)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的深度推進(jìn)，運動控制市場將走向更加成熟、穩(wěn)健的發(fā)展軌道。