智能控制技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

李春敏

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)器人控制技術(shù)得到快速發(fā)展，并且在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的控制技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)情況，為此，研究人員從理論和實際應(yīng)用場景出發(fā)，不斷完善智能控制技術(shù)研究。而工業(yè)機(jī)器人控制涉及多種學(xué)科，研究人員為了提升智能控制效果，對其進(jìn)行了綜合研究。基于此，本文主要探討智能控制技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;智能控制;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：TP242.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0011-03

Abstract： With the continuous development of modern science and technology， robot control technology has developed rapidly， and has been widely used in various industries. At present， the traditional control technology has been unable to adapt to the modern complex industrial production situation， therefore， researchers from the theoretical and practical application scenarios， continue to improve the intelligent control technology research. Industrial robot control involves a variety of disciplines， in order to improve the effect of intelligent control， researchers have carried out a comprehensive study on it.Based on this， this paper mainly discusses the application of intelligent control technology in industrial robot.

Keywords： industrial robot;intelligent control;data analysis

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，智能控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人管理中。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車制造、生物科技、電器制造等多個行業(yè)，在提高行業(yè)工作效率和工作質(zhì)量的同時，也降低了行業(yè)人力資源投入。智能控制技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用，能使機(jī)器人更加智能地處理更多復(fù)雜的工作，以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的實際需求。

1 智能控制技術(shù)概述

智能控制是由智能機(jī)器自主地實現(xiàn)其目標(biāo)的過程。智能控制是多學(xué)科交叉的成果，它的發(fā)展得益于人工智能、認(rèn)知科學(xué)、模糊集理論和生物控制論等諸多學(xué)科的發(fā)展，反過來也促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。智能控制研究的主要目標(biāo)是控制器本身。控制器不再是單一的數(shù)學(xué)模型解析型，而是數(shù)學(xué)解析和知識系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，是多種學(xué)科知識交叉的控制系統(tǒng)[1]。

2 智能控制技術(shù)的分類

2.1 自適應(yīng)控制體系

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是指具有自行組織特性的系統(tǒng)，包括四個部分，即基本調(diào)節(jié)控制反饋回路、系統(tǒng)準(zhǔn)則給定、在線辨識和實時修正調(diào)整[2]。系統(tǒng)工作時主要由三個基本動作組成：識別對象的動態(tài)特性，在識別對象的基礎(chǔ)上采取決策，根據(jù)決策指令改變系統(tǒng)動作。自適應(yīng)控制系統(tǒng)作為一種特殊的控制形式，能使機(jī)器人提升工作效率和工作質(zhì)量，并根據(jù)外界信息調(diào)整相關(guān)參數(shù)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)機(jī)器人在工作過程中，自動測量輸入/輸出值，根據(jù)輸入/輸出值分辨外界環(huán)境動態(tài)特征，并科學(xué)系統(tǒng)地比較特征和期望，從而根據(jù)目標(biāo)自動優(yōu)化控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)通過適應(yīng)機(jī)構(gòu)輸出工作信號，其主要流程包括辨識、決策、控制。

2.2 模糊控制體系

模糊控制是以模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編寫成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理。最終把推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制可通過語言來表達(dá)控制過程，并借助計算機(jī)進(jìn)行模擬控制，從而達(dá)到控制系統(tǒng)自動化。由于計算機(jī)智能化程度還不能完全達(dá)到理想水平，因此，將控制信息過程描述成其他計算機(jī)識別語言，基本控制思想可簡單概述為IF-THEN形式控制規(guī)律[3]。計算機(jī)控制工作的實際情況，即根據(jù)實際工作環(huán)境，將接收的外界信息轉(zhuǎn)換成可識別的計算機(jī)語言，控制系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)前提判斷對收集的外界信息作對比分析，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而得出相應(yīng)決策。調(diào)整完成之后把得出的結(jié)論輸送給控制對象，達(dá)到有效的控制目的。

在工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)應(yīng)用中，模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢為：操作人員在控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)控制，不通過數(shù)學(xué)建模的方式，而是通過科學(xué)方式解決系統(tǒng)中的不確定性;同時，系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性，受控制對象參數(shù)改變的影響不大，在非線性、時變、時滯等系統(tǒng)控制方面應(yīng)用十分廣泛。模糊化控制主要步驟為模糊化、模糊推理、逆模糊化。在該過程中，需要精準(zhǔn)計算模糊量、精確量，從而作用于整個被控過程。模糊控制也存在一定的缺點(diǎn)。例如，信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差;模糊控制的設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標(biāo)。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制體系

作為多學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)不確定性系統(tǒng)動態(tài)特性和逼近任意復(fù)雜非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于模擬人腦神經(jīng)元的活動過程，主要包括信息加工、處理、儲存和搜索等過程。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的主要特點(diǎn)是：在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，知識不是存儲在特定的存儲單元中，而是分布在整個系統(tǒng)中，要存儲多個知識就需要很多鏈接;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練獲得網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和對環(huán)境的自適應(yīng)能力;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由許多相同的簡單處理單元并聯(lián)組合而成，雖然每一個神經(jīng)元的功能簡單，但大量簡單神經(jīng)元并行處理能力和效果卻十分驚人。

3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)器人與人類存在一定區(qū)別，例如，人有主觀能動性，而機(jī)器人沒有，想要利用機(jī)器人從事相關(guān)勞動，就需要對機(jī)器人進(jìn)行控制，所以機(jī)器人控制系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)。第一，可運(yùn)動的特點(diǎn)。通常機(jī)器人運(yùn)動主要是以坐標(biāo)為準(zhǔn)，如果需要機(jī)器人完成運(yùn)動計劃，可以通過調(diào)整運(yùn)動坐標(biāo)以實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動模式的改變。第二，可選擇性操作多。這個情況可以簡單地理解為機(jī)器人的可運(yùn)動模型多，這樣可以通過不同的組合形式完成多種操作，從而提升工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)價值。第三，實現(xiàn)計算機(jī)控制。人體運(yùn)動需要通過大腦進(jìn)行控制，而機(jī)器人運(yùn)動由計算機(jī)進(jìn)行控制，通過計算機(jī)下達(dá)指令，機(jī)器人可以按照指令完成相應(yīng)任務(wù)。

4 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)組成

通常情況下，工業(yè)機(jī)器人是由計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制的。常見的計算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計算機(jī)、示教盒、傳感器接口、軸控制器、輔助設(shè)備控制等組成。其中，控制計算機(jī)主要由微處理器以及微型計算機(jī)組成，其是工業(yè)機(jī)器人行為控制的關(guān)鍵部分;示教盒需要利用通信技術(shù)與控制計算機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián);傳感器主要由三部分組成，即視覺傳感器、力覺傳感器以及觸覺傳感器，該部分主要用于檢測機(jī)器人信息;軸控制系統(tǒng)主要是對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過對工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)一步使工業(yè)機(jī)器人滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

4.2 控制方式

其一，點(diǎn)位控制。這種控制方式只對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿進(jìn)行控制。其二，連續(xù)軌跡控制。連續(xù)軌跡控制是對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿進(jìn)行連續(xù)控制，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度范圍內(nèi)運(yùn)動，且速度可控，軌跡光滑，運(yùn)動平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。其三，力矩控制。這種控制方式的原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，所以該系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進(jìn)行自適應(yīng)式控制。其四，智能控制。機(jī)器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫作出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，使機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。

5 智能控制系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

5.1 控制機(jī)器人行動軌跡

工業(yè)機(jī)器人腿部主要由連接桿和動輪組成，若需要機(jī)器人移動，則要借助滾輪形式，以實現(xiàn)機(jī)器人正常行走。傳統(tǒng)運(yùn)動控制方式已無法滿足工作需求，因為工業(yè)機(jī)器人需要對周圍環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，對收集到的外界信息進(jìn)行分析和研究，并借助模糊分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方式，對其行走進(jìn)行有效精確控制。在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制下，即使機(jī)器人收集的周圍環(huán)境信息不清晰或者不完整，控制系統(tǒng)也能馬上做出反應(yīng)，對外界環(huán)境和位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。例如，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行野外搜救任務(wù)時，外界環(huán)境非常惡劣復(fù)雜，工業(yè)機(jī)器人要提升自身對外界環(huán)境信息的分析能力，避免出現(xiàn)運(yùn)行故障。而在模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)下，控制系統(tǒng)功能呈現(xiàn)多樣性，對機(jī)器人的控制更加全面、深入。圖1為攪拌摩擦工業(yè)用機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動軌跡控制模型[4]。

5.2 控制機(jī)器人精度

在機(jī)器人智能控制方式方面，傳統(tǒng)方法主要是利用PID控制[比例（Proportion）、積分（integral）、微分（differential）]的方式進(jìn)行點(diǎn)位控制，但是，這種控制方式精度不夠高，很難實現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確、高速運(yùn)行。由于控制精度不足，導(dǎo)致實際工作中系統(tǒng)運(yùn)行受到影響，因此，機(jī)器人進(jìn)行智能控制時，可以借助PI控制器進(jìn)行調(diào)整，保證整個系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行[5]。機(jī)器人面臨的環(huán)境復(fù)雜多變，因此可以采取簡單模型實現(xiàn)對機(jī)器人的精度控制，然后增加機(jī)器人工作遞推算法、并行算法，提升機(jī)器人對外界環(huán)境的敏感程度，從而實現(xiàn)動態(tài)模擬精度控制和智能控制，并根據(jù)實際需求科學(xué)選擇控制方案，結(jié)合各種控制方法的優(yōu)勢，避免單一方案存在的不足，以改善機(jī)器人控制系統(tǒng)性能。

6 結(jié)語

在當(dāng)前科技發(fā)展趨勢下，工業(yè)機(jī)器人對我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起著重要作用，改變了我國工業(yè)的生產(chǎn)面貌，優(yōu)化了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。企業(yè)通過在實際生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人智能控制技術(shù)，總結(jié)經(jīng)驗、優(yōu)化機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，提升工作效率和工作質(zhì)量，提高工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速度。在實際應(yīng)用過程中，科研人員通過發(fā)展智能控制技術(shù)，提升機(jī)器人工作速度和精度，使機(jī)器人為更多企業(yè)創(chuàng)造更高價值，讓智能技術(shù)帶來的紅利和便利惠及大眾。

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