淺析機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程以及機(jī)器人控制

【摘要】人類(lèi)始終渴望制造向人一樣的機(jī)器，從古至今一直在發(fā)展機(jī)器人。雖然當(dāng)今機(jī)器人的功能十分有限，但它正在迅速發(fā)展，并對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活的各方面產(chǎn)生影響。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人；機(jī)器人控制；機(jī)器人發(fā)展

從古至今，人類(lèi)一只想要?jiǎng)?chuàng)造一種像人一樣的機(jī)器，以便幫助人完成繁重的、枯燥的、危險(xiǎn)的工作。西周時(shí)期，出現(xiàn)了能歌善舞的伶人，那是我國(guó)最早有記載的機(jī)器人。公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人——自動(dòng)機(jī)，可以自己開(kāi)門(mén)，還可以借助蒸汽唱歌。漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車(chē)。每行一里，車(chē)上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。1773年，自動(dòng)書(shū)寫(xiě)玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等被連續(xù)推出?，F(xiàn)在保留下來(lái)的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂(lè)供參觀(guān)者欣賞。19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人自興起以來(lái)，發(fā)展非常迅速。70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人?！捌呶濉逼陂g，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、電焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施。上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，進(jìn)入本世紀(jì)，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面投入增加，取得了顯著成果。

我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200多家，擁有量為3500臺(tái)左右，其中國(guó)產(chǎn)占20%，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等40多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000年已經(jīng)生產(chǎn)各種類(lèi)型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300臺(tái)套，機(jī)器人銷(xiāo)售額6.74億元，機(jī)器人產(chǎn)生對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47億元?；『?、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多；其次是搬運(yùn)、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等）；再次是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人。就行業(yè)而言，汽車(chē)行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓搬運(yùn)、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。

機(jī)器人系統(tǒng)通常分為機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的作用是根據(jù)用戶(hù)的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制完成作業(yè)的各種動(dòng)作。機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：一是機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際要求選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，因此多會(huì)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和逆問(wèn)題。二是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人有3至5個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)，甚至幾十個(gè)自由度，一般每個(gè)自由度包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)。為了完成一個(gè)共同的任務(wù)，它們必須協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。三是把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，使其按照人的意志行動(dòng)，甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)完成。因此機(jī)器人控制系統(tǒng)必然是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。四是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化，而且各變量之間還存在耦合。因此在控制時(shí)經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦或現(xiàn)代控制方法。五是機(jī)器人動(dòng)作往往可以通過(guò)不同的方式和路徑來(lái)完成，因此存在一個(gè)“最優(yōu)”的問(wèn)題。較高級(jí)的機(jī)器人可以用人工智能的方法，用計(jì)算機(jī)建立起龐大的信息庫(kù)，借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理和操作；還可以通過(guò)傳感器和模式識(shí)別的方法去獲得對(duì)象及環(huán)境的信息，按照給定的指標(biāo)要求，自動(dòng)地選擇最佳的控制規(guī)律。

工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般分為兩個(gè)控制層次：上級(jí)為組織級(jí)，其任務(wù)是將期望的任務(wù)轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)軌跡或適當(dāng)?shù)牟僮鳎㈦S時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人各部分的運(yùn)動(dòng)及工作情況，處理意外事件；下級(jí)為實(shí)時(shí)控制級(jí)，它根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性及機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)情況，綜合出適當(dāng)?shù)目刂浦噶?，?qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)完成指定的運(yùn)動(dòng)和操作。

如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為：橫向上，應(yīng)用面越來(lái)越寬。由95%的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域的非工業(yè)應(yīng)用。像做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷道掘進(jìn)、偵查、排雷，還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無(wú)限制，只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)；縱向上，機(jī)器人的種類(lèi)會(huì)越來(lái)越多，像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人，已成為一個(gè)新方向，可以小到像一個(gè)米粒般大??；機(jī)器人智能化得到加強(qiáng)，機(jī)器人會(huì)更加聰明。

索菲亞（Sophia）機(jī)器人是與人類(lèi)極其相似的人類(lèi)機(jī)器人，也是世界上首個(gè)獲得公民身份的機(jī)器人。她的大腦采用人工智能技術(shù)和谷歌語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，能夠識(shí)別人類(lèi)面部、理解語(yǔ)言、記住與人類(lèi)的互動(dòng)。2017年10月26日，沙特阿拉伯機(jī)器人索菲亞公民身份。作為首個(gè)獲得公民身份的機(jī)器人，她表示希望能夠幫助人類(lèi)生活得更美好，她也希望自己有朝一日能夠上學(xué)，經(jīng)商，她甚至希望將來(lái)能夠組建自己的家庭。可見(jiàn)機(jī)器人與人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展，在未來(lái)也許真的會(huì)出現(xiàn)人與機(jī)器人和諧生活的一幕。

參考文獻(xiàn)

[1]孫樹(shù)棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：孟冠彤（1997.01—），女，漢族，河北石家莊人，本科在讀，研究方向：機(jī)械電子工程。