智能機(jī)器人運動控制技術(shù)探討

孫應(yīng)芳

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源，459000）

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)，我國人工智能技術(shù)、機(jī)器人制造技術(shù)等發(fā)展迅猛，智能機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛。智能機(jī)器人具有功能多、效率高、多自由度操作、能夠代替人類完成危險系數(shù)高的工作等優(yōu)點，在醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等的應(yīng)用越來越普遍。運動控制技術(shù)涉及到眾多學(xué)科知識，是智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，非常復(fù)雜。智能機(jī)器人的運動控制需要對離心力、重力、摩擦力等綜合作用進(jìn)行考慮，通過對運動控制模型的構(gòu)建，確保智能機(jī)器人運動控制水平，為智能機(jī)器人的 應(yīng)用提供保障。

1 智能機(jī)器人運動控制技術(shù)概述

智能機(jī)器人是基于對人的運動控制原理的模仿，使智能化工業(yè)生產(chǎn)得到實現(xiàn)的設(shè)備。智能機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)控制機(jī)器設(shè)備，執(zhí)行工業(yè)作業(yè)。智能機(jī)器人的核心是運動控制系統(tǒng)。智能機(jī)器人的運動控制由包括硬件與軟件兩部分。智能機(jī)器人運動控制中執(zhí)行機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)；驅(qū)動機(jī)構(gòu)步進(jìn)驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器。智能機(jī)器人運動控制器是控制智能機(jī)器人運動控制機(jī)構(gòu)。智能機(jī)器人的固定參數(shù)程序?qū)\動控制器進(jìn)行觸發(fā)從而實現(xiàn)對固定動作的控制；傳感器、視頻輸入設(shè)備等控制非固定動作。智能機(jī)器人借助于運動控制可以實現(xiàn)對機(jī)器人手臂運動的控制、機(jī)器人運動位置的控制、運動速度的控制等。智能機(jī)器人運動控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的控制系統(tǒng)是PLC 系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的順序控制器中引入自動控制、計算機(jī)、通訊技術(shù)等，從而實現(xiàn)運動控制。智能機(jī)器人運動控制中應(yīng)用PLC 能夠使系統(tǒng)抵抗干擾的能力與穩(wěn)定性等得到提高，使自動化、智能化得到保障。

2 智能機(jī)器人運動控制模型

第一，智能機(jī)器人關(guān)節(jié)算法模型。智能機(jī)器人的運動控制技術(shù)通常對人體的運動方法進(jìn)行模仿，因此對智能機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計過程中，要求智能機(jī)器人能夠和人類一樣使重復(fù)性生產(chǎn)作業(yè)要求得到實現(xiàn)。因此，智能機(jī)器人運動控制中通過人關(guān)節(jié)算法模型的應(yīng)用，使智能機(jī)器人動作的靈活性得到概述。利用對智能機(jī)器人關(guān)節(jié)算法模型的優(yōu)化使運動控制算法的計算量得到簡化，智能機(jī)器人的關(guān)節(jié)算法模型匹配度得到提高，由此，智能機(jī)器人能夠?qū)幼鞲咝?zhí)行，使作業(yè)的靈活性得到增強(qiáng)，復(fù)雜動作能夠準(zhǔn)確完成，機(jī)器人作業(yè)的智能化得到實現(xiàn)。

第二，迭代控制模型。迭代控制模型包括了開環(huán)迭代控制模型、閉環(huán)迭代控制模型、高階迭代控制模型、最優(yōu)迭代控制模型、具有遺忘因子迭代控制模型等多種控制模型。為了使智能機(jī)器人的運動控制的收斂性得到滿足，要求智能機(jī)器人運動控制模型對精度高的矩陣進(jìn)行尋找。對于運動控制而言，智能機(jī)器人要求較高的收斂速度和收斂精度，特別是在非線性的強(qiáng)耦合的環(huán)境下，智能機(jī)器人進(jìn)行工作，比如跟蹤軌跡等，對迭代收斂精度與速度的要求更高。

第三，完善DNA 控制模型。作為一種新的控制模型，DNA運動控制模型是對放生模擬的前提下，實現(xiàn)了運動控制算法和生物學(xué)的融合，借助于把不同的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行串聯(lián)雜交，使智能機(jī)器人對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析的能力得到提高。DNA 運動控制算法的原理和核酸分子的雜交相類似，利用篩選特定DNA 串聯(lián)的雜交信息數(shù)據(jù)，對最優(yōu)的組合策略進(jìn)行選擇。隨著PID 最優(yōu)增益系數(shù)的發(fā)展，DNA 運動控制模型的應(yīng)用越來越廣泛，提高了智能機(jī)器人運動控制的精度。

3 智能機(jī)器人運動控制技術(shù)的實現(xiàn)

第一，智能機(jī)器人運動控制的硬件實現(xiàn)。智能機(jī)器人的運動控制離不開硬件的支持。智能機(jī)器人基于實際生產(chǎn)的作業(yè)需求，對運動控制硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化智能機(jī)器人的硬件和操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人能夠滿足生產(chǎn)需求。智能機(jī)器人運動控制技術(shù)需要和軟件系統(tǒng)相結(jié)合，為自動化生產(chǎn)提供保障。一般情況下，智能機(jī)器人PLC 編碼控制器實現(xiàn)了PLC 控制系統(tǒng)，所以要求對I/O 模塊與PLC 進(jìn)行選擇，從而建立智能機(jī)器人運動控制的智能模塊、HMI 等功能模塊、網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊等。此外，需要基于PLC 系統(tǒng)構(gòu)建和其相匹配的硬件操作系統(tǒng)，對USB 接口、RS232 接口等硬件連接設(shè)備進(jìn)行選擇，為智能機(jī)器人的服務(wù)提供硬件支持。

第二，智能機(jī)器人運動控制的軟件實現(xiàn)。智能機(jī)器人的運動控制的軟件技術(shù)包括了伺服器控制、PC 端工控機(jī)兩個方面的內(nèi)容。智能機(jī)器人運動控制軟件系統(tǒng)PC 端的核心模塊使用的是具有較高穩(wěn)定性的芯片組、外部存儲接口處理器，從而為智能機(jī)器人運動控制的有效操作提供了保障。智能機(jī)器人在作業(yè)過程中，借助于通信模塊之間的協(xié)議通信對智能機(jī)器人的運動信息進(jìn)行采集，基于智能機(jī)器人運動實際情況對信號指令進(jìn)行發(fā)送，從而能夠?qū)崟r的監(jiān)控智能機(jī)器人的活動位置、活動方向、活動速度等。智能機(jī)器人數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)通信，通常通過PLC 協(xié)議對智能機(jī)器人各個部分的調(diào)度信息交換進(jìn)行控制，利用C 語言對指令程序進(jìn)行編寫，有助于智能機(jī)器人運動控制系統(tǒng)的遷移與擴(kuò)展。在設(shè)計智能機(jī)器人運動控制軟件的用戶界面過程中，借助于QMain Windows 類圖形模塊對軟件用戶整體的操作界面的框架進(jìn)行構(gòu)建，由此智能機(jī)器人運動控制系統(tǒng)的各個軟件模塊數(shù)據(jù)信息的交互得到最大程度的實現(xiàn)。首先，利用智能機(jī)器人運動控制系統(tǒng)的上下機(jī)通訊模塊的建立和運轉(zhuǎn)，對于智能機(jī)器人的活動關(guān)節(jié)、操作桿等部分的編碼器的函數(shù)值進(jìn)行獲取，同時在智能機(jī)器人運動控制器內(nèi)卡內(nèi)存儲運動控制的信號命令；其次，通過信息編輯處理器分析智能機(jī)器人運動控制卡解析出來的信號指令，信息編輯處理模塊管理并檢測代碼，基于智能機(jī)器人操作臂的末端態(tài)勢、停留角度等，利用智能機(jī)器人運動學(xué)正解和逆解運算對智能機(jī)器人運動控制軟件部分進(jìn)行驗證，使智能機(jī)器人的多自由度運動軌跡的規(guī)劃得到實現(xiàn)；再次，智能機(jī)器人運動控制人機(jī)交互軟件實現(xiàn)可以實現(xiàn)的目的包括，一是實現(xiàn)顯示作用。用戶能夠?qū)?shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的更新動態(tài)等進(jìn)行查看，從而方便了操作，使智能機(jī)器人的工作效率得到提高；二是實現(xiàn)管理作用。對智能機(jī)器人運動控制的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使智能機(jī)器人的操作能夠滿足生產(chǎn)要求。

第三，智能機(jī)器人運動控制的程序?qū)崿F(xiàn)。智能機(jī)器人運動控制程序通常包括流程程序、指令程序、順序程序、應(yīng)用程序等。智能機(jī)器人運動控制的實現(xiàn)需要和實際應(yīng)用的領(lǐng)域相結(jié)合，對應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計。對智能機(jī)器人運動控制PLC 程序進(jìn)行編制過程中，涉及到的內(nèi)容有表格、SFC、順序圖形圖、算法交互等，基于不同功能、模塊等對合適的編程方法進(jìn)行選擇。智能機(jī)器人運動控制程序編制可以對自動與手動不同的控制模式進(jìn)行設(shè)置，從而使用戶的不同需求得到滿足。對手動控制模式進(jìn)行設(shè)置過程中，程序設(shè)計的重點是智能機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)整、程序編寫；對自動控制模式進(jìn)行設(shè)置過程中，智能機(jī)器人基于PLC 指令對相應(yīng)運轉(zhuǎn)程序進(jìn)行選擇。智能機(jī)器人運動控制程序確保了智能機(jī)器人運動控制的實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器人制造技術(shù)等的發(fā)展，智能機(jī)器人憑借效率高、功能多、代替人類從事危險行業(yè)等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。運動控制技術(shù)是智能機(jī)器人的核心技術(shù)。智能機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)控制機(jī)器設(shè)備，執(zhí)行并準(zhǔn)確完成作業(yè)。因此，需要加強(qiáng)對智能機(jī)器人運動控制技術(shù)的深入研究，為智能機(jī)器人行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。