机器人中的控制技术

机器人中的控制技术马枭（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009）摘要：大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、坐标变换和微积分等运算。机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量耦合的。机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。关键词：自动化；机器人；控制技术；运动控制；机器人语言0引言为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。使用的编程语言有很多C语言，汇编，C++等，VB，Java目前，机器人技术领先国家有日本，美国，欧洲。在日本最新研制的水下机器人潜艇正像世界最深海沟挑战。参与研制的国家有日本，美国，等国家的科学家，同时俄罗斯的相关机构也有幸观看实验。1控制技术大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、坐标变换和微积分等运算。机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量耦合的。机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。机器人控制系统具体的工作过程是：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确的控制机器人手部在空间的运动（作业任务要求的）。在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动的信息。2运动控制运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。它与示教再现功能的区别：在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。机器人的运动控制是指机器人手部在空间从一点移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参数的控制。由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个关节的运动引起的，所以控制机器人手部的运动实际上是通过控制机器人各个关节的运动实现的。根据机器人作业任务中要求的手的运动，通过运动学逆解和数学插补运算得到机器人各个关节运动的位移、速度和加速度，再根据动力学正解得到各个关节的驱动力（矩）。机器人控制系统根据运算得到的关节运动状态参数控制驱动装置，驱动各个关节产生运动，从而合成手在空间的运动，由此完成要求的作业任务。控制步骤：第一步：关节运动伺服指令的生成，即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。这一步一般可离线完成。第二步：关节运动的伺服控制，即采用一定的控制算法跟踪执行第一步所生成的关节运动伺服指令，这是在线完成的。3机器人语言之后斯坦福大学人工智能研究室在WAVE语言的基础上，又开发出了AL语言。AL语言不仅能用来描述机器人手爪的操作，而且还能记忆作业环境以及环境内各个对象物之间的相对位置，可以用来控制多台机器人协调工作。美国IBM公司在机器人语言研究上作了很多工作，也取得过不少成果。该公司在20世纪70年代中期开发了应用于直角坐标机器人上的EMILY和ML语言，能用于机器人的装配作业。此后又研制出用于装配机器人的AUTOPASS语言，这是一种比较高级的机器人语言，它可以对几何模型类任务进行半自动编程。在1982年，IBM公司又推出了AML语言，目前，AML语言已作为商业化产品用于IBM机器人的控制。1979年,美国Unimation公司推出了VAL语言，主要用于PUMA和Unimate等系列的机器人上，是一种比较成功的机器人语言。VAL语言是在BASIC语言的基础上扩展的机器人语言，它具有BASIC语言的结构，比较简单，易于编程，为工业机器人所适用。1984年该公司推出VAL-Ⅱ语言，它是在VAL语言的基础上，增加开发利用传感器信息进行运动控制和数据处理以及通讯等功能。现在VAL语言已经升级为V++语言，性能得到了更大的提高。20世纪80年代初，美国Automatix公司开发了RAIL语言，它能利用视觉传感器信息，进行检测零件作业。同期，麦道公司研制出了MCL语言，它是在数控语言APT基础上发展起来的机器人语言。MCL语言应用于由机床及机器人组成的柔性加工单元的编程，其功能较强。到目前为止，国内外尚无通用的机器人语言，虽然现有的品种繁多，仅在美、日、西欧实用的机器人语言就至少有数十种。但即使这样，新的机器人语言还不断出现。究其原因，就在于目前开发的机器人语言绝大多数是根据专用机器人而单独开发的，存在着通用性差的问题。有的国家正尝试在数控机床通用语言的基础上，形成统一的机器人语言，但由于机器人控制不仅要考虑机器人本身的运动，还要考虑机器人与配套设备间的协调通讯以及多个机器人之间的协调工作，因而技术难度非常大，目前尚处于研究探索阶段。