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    摘要：運動控制技術已成為機電一體化的關鍵技術。本文介紹了機器人的分類以及各種應用方向，分析了不同運動控制在機器人上的應用與發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了智能移動機器人技術的發(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的展望。

關鍵詞：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。它是人工智能技術的綜合試驗場，可以全面地考察人工智能各個領域的技術，研究它們相互之間的關系。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該具備三方面的能力：感知環(huán)境的能力、執(zhí)行某種任務而對環(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用領域的擴大，人們期望智能移動機器人在更多領域為人類服務，代替人類完成更復雜的工作。然而,智能移動機器人所處的環(huán)境往往是未知的、很難預測。智能移動機器人所要完成的工作任務也越來越復雜;對智能移動機器人行為進行人工分析、設計也變得越來越困難。目前，國內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到相當高的水準。

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,能夠將多種傳感器得到的信息進行融合，能夠有效的適應變化的環(huán)境，具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能。

    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系而言，即希望智能移動機器人進一步獨立于人，具有更為友善的人機界面。從長遠來說，希望操作人員只要給出要完成的任務，而機器能自動形成完成該任務的步驟，并自動完成它。另一方面是，提高智能移動機器人的適應性，提高智能移動機器人適應環(huán)境變化的能力，這是就智能移動機器人與環(huán)境的關系而言，希望加強它們之間的交互關系。

    智能移動機器人涉及到許多關鍵技術，這些技術關系到智能移動機器人的智能性的高低。這些關鍵技術主要有以下幾個方面：多傳感信息耦合技術，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),以產生更可靠、更準確或更全面的信息，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；導航和定位技術，在自主移動機器人導航中，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前狀態(tài)及位置，以完成導航、避障及路徑規(guī)劃等任務；路徑規(guī)劃技術，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則，在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑；機器人視覺技術，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,核心任務是特征提取、圖像分割和圖像辨識；智能控制技術，智能控制方法提高了機器人的速度及精度；人機接口技術，人機接口技術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在國際上一直處于領先地位，其技術全面、先進，適應性也很強，性能可靠、功能全面、精確度高，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用。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用方面在世界上處于公認的領先地位。中國起步較晚，而后進入了大力發(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，推動整個高技術產業(yè)的壯大。

2、運動控制技術的發(fā)展及應用前景

    隨著機電一體化技術的發(fā)展,世界各國對運動控制技術越來越重視。各種運動控制的新技術、新產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。

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

    在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產品中,廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)的驅動器對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣,在驅動器和電機之間構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)的誤差進行補償,達到真正全閉環(huán)的功能,實現(xiàn)高精度的位置控制。該系統(tǒng)廣泛應用于數(shù)控機床等高精度數(shù)控設備。

2.2直線電機驅動技術(LinerMotorDriving)

    近幾年來,直線電動機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用,已在世界機床行業(yè)得到重視。在機床進給系統(tǒng)中,采用直線電動機直接驅動與原旋轉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,帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的優(yōu)良性能和特點:一是響應快。由于系統(tǒng)中取消了一些響應時間常數(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)響應性能大大提高。二是精度高。直線驅動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構引起的傳動誤差,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。直線電機最早應用于磁懸浮列車(速度可達8300M/min),故在機床進給驅動中使用直線電機,完全可以滿足機床超高速切削的最大進給速度(60(100M/min)。也是由于其高速響應性,使其加減速過程大大縮短。五是行程長度不受限制。在導軌上通過串聯(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,且導軌又可采用滾動導軌或磁懸浮導軌,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)廣泛應用于磁懸浮列車、高精度機床等設備。

    運動控制主要包括：位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力矩控制；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)絡化等。而服務機器人的運動控制方式更加多樣化，技術路徑更加豐富多彩。

2.2.1電機的應用：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用：人形機器人

    美國DARPA(美國國防部先進研究項目局)舉行的機器人比賽是展現(xiàn)人形機器人最先進能力的比賽，比賽的機器人主要有兩種不同的技術路線，純電機驅動和液壓電機混合驅動，但實際情況是除了ATLAS是液壓外其他都是電機驅動。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動的，主要的動力來自于液壓驅動，只有一些關節(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備制造行業(yè)的景氣度，其中，機床行業(yè)是運動控制產品最大的下游市場。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)控產品高度集中于機床行業(yè)，超過八成的數(shù)控產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的下**業(yè)的需求穩(wěn)定。此外，機器人和智能手機相關的電子裝聯(lián)行業(yè)表現(xiàn)突出，強力支撐通用運動控產品的需求。

    全球宏觀經(jīng)濟形勢及機械設備行業(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)境的轉變及下流產業(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品在工業(yè)以太網(wǎng)、模塊化及分布式伺服驅動器、深度軟件開發(fā)等領域的發(fā)展。目前，現(xiàn)場總線仍是伺服驅動器及控制器的主流通訊技術，2015年分別有53.5%及79.4%的驅動器及運動控制器通過現(xiàn)場總線連接網(wǎng)絡。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)設備通訊。IHS預計2015-2020年工業(yè)以太網(wǎng)技術在運動控制市場的應用將保持年均近20%的高速增長，逐步取代現(xiàn)場總線技術。在眾多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，西門子主導的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地位，將保持強勢增長，此外，倍福主導研發(fā)的EtherCAT技術因其開源性在近年來越來越多地受到運動控制廠商的認可，增速高于其他應用于運動控制產品的通訊協(xié)議。IHS預計截至2020年，超六成的驅動器及近三成的運動控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)技術。

4、結論

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