摘要：運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已成為機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了機(jī)器人的分類以及各種應(yīng)用方向，分析了不同運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人上的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及世界各國(guó)智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展水平，然后討論了運(yùn)動(dòng)控制在智能移動(dòng)機(jī)器人中的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)未來(lái)技術(shù)的展望。

關(guān)鍵詞：智能移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；發(fā)展前景、

前言

    機(jī)器人是一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。智能移動(dòng)機(jī)器人則是一個(gè)在感知-思維-效應(yīng)方面全面模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，外形不一定像人。它是人工智能技術(shù)的綜合試驗(yàn)場(chǎng)，可以全面地考察人工智能各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，研究它們相互之間的關(guān)系。還可以在有害環(huán)境中代替人從事危險(xiǎn)工作、上天下海、戰(zhàn)場(chǎng)作業(yè)等方面大顯身手。一部智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具備三方面的能力：感知環(huán)境的能力、執(zhí)行某種任務(wù)而對(duì)環(huán)境施加影響的能力和把感知與行動(dòng)聯(lián)系起來(lái)的能力。智能移動(dòng)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的根本區(qū)別在于，智能移動(dòng)機(jī)器人具有感知功能與識(shí)別、判斷及規(guī)劃功

    隨著智能移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們期望智能移動(dòng)機(jī)器人在更多領(lǐng)域?yàn)槿祟惙?wù)，代替人類完成更復(fù)雜的工作。然而,智能移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知的、很難預(yù)測(cè)。智能移動(dòng)機(jī)器人所要完成的工作任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜;對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人行為進(jìn)行人工分析、設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷深入。

    高速度高精度的運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人固定在工位上完成相應(yīng)的搬運(yùn)，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(shí)候需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行重新布局和編程，造成工廠停工時(shí)間長(zhǎng)。而協(xié)作機(jī)器人布局靈活，可以裝在移動(dòng)平臺(tái)上，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和產(chǎn)線的柔性，可以靈活部署。最近幾年大公司對(duì)機(jī)器人移動(dòng)能力的方向非常關(guān)注，有很多起對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的收購(gòu)兼并案例。而各種各樣的服務(wù)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的要求更是有增無(wú)減，波士頓動(dòng)力的ATLAS機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力就達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。

1、智能機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

    智能移動(dòng)機(jī)器人是第三代機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器,能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。

    目前研制中的智能移動(dòng)機(jī)器人智能水平并不高，只能說(shuō)是智能移動(dòng)機(jī)器人的初級(jí)階段。智能移動(dòng)機(jī)器人研究中當(dāng)前的核心問(wèn)題有兩方面：一方面是，提高智能移動(dòng)機(jī)器人的自主性，這是就智能移動(dòng)機(jī)器人與人的關(guān)系而言，即希望智能移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)一步獨(dú)立于人，具有更為友善的人機(jī)界面。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，希望操作人員只要給出要完成的任務(wù)，而機(jī)器能自動(dòng)形成完成該任務(wù)的步驟，并自動(dòng)完成它。另一方面是，提高智能移動(dòng)機(jī)器人的適應(yīng)性，提高智能移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng)環(huán)境變化的能力，這是就智能移動(dòng)機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系而言，希望加強(qiáng)它們之間的交互關(guān)系。

    智能移動(dòng)機(jī)器人涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)關(guān)系到智能移動(dòng)機(jī)器人的智能性的高低。這些關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：多傳感信息耦合技術(shù)，多傳感器信息融合就是指綜合來(lái)自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù),以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息，經(jīng)過(guò)融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測(cè)對(duì)象的特性,消除信息的不確定性,提高信息的可靠性；導(dǎo)航和定位技術(shù)，在自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中，無(wú)論是局部實(shí)時(shí)避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)；路徑規(guī)劃技術(shù)，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑；機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)，機(jī)器人視覺(jué)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(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識(shí)；智能控制技術(shù)，智能控制方法提高了機(jī)器人的速度及精度；人機(jī)接口技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。

    在各國(guó)的智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展中，美國(guó)的智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上一直處于領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)，性能可靠、功能全面、精確度高，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用。日本由于一系列扶植政策，各類機(jī)器人包括智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展迅速。歐洲各國(guó)在智能移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。中國(guó)起步較晚，而后進(jìn)入了大力發(fā)展的時(shí)期，以期以機(jī)器人為媒介物推動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的改變，推動(dòng)整個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的壯大。

2、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景

    隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,世界各國(guó)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)越來(lái)越重視。各種運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品如雨后春筍層出不窮。下面介紹幾種有代表性的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

2.1全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)(FullClosedACServo)

    在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)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(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣,在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)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(jī)的編碼器,對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)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(shí)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(jí)機(jī)械上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等),而電機(jī)上的編碼器此時(shí)僅作為速度環(huán)的反饋,這樣就可以消除機(jī)械存在的一些間隙,并且該伺服系統(tǒng)還可以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)上出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,達(dá)到真正全閉環(huán)的功能,實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等高精度數(shù)控設(shè)備。

2.2直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)(LinerMotorDriving)

    近幾年來(lái),直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是前者取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的一切機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié),把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種傳動(dòng)方式被稱為零傳動(dòng)!。正是由于這種零傳動(dòng)!方式,帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的優(yōu)良性能和特點(diǎn):一是響應(yīng)快。由于系統(tǒng)中取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件如絲杠等,使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高。二是精度高。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動(dòng)誤差,減少了插補(bǔ)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差,故大大提高了機(jī)床的定位精度。三是傳動(dòng)剛度大。由于直接驅(qū)動(dòng),避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)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(dòng)剛度。四是速度快且加減速過(guò)程短。直線電機(jī)最早應(yīng)用于磁懸浮列車(速度可達(dá)8300M/min),故在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中使用直線電機(jī),完全可以滿足機(jī)床超高速切削的最大進(jìn)給速度(60(100M/min)。也是由于其高速響應(yīng)性,使其加減速過(guò)程大大縮短。五是行程長(zhǎng)度不受限制。在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電機(jī),可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。六是運(yùn)動(dòng)安靜。由于取消了絲杠等部件的機(jī)械摩檫,且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁懸浮導(dǎo)軌,其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音大大降低。七是效率高。由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),消除了機(jī)械摩檫時(shí)的能量損耗,提高了傳動(dòng)效率。因此該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于磁懸浮列車、高精度機(jī)床等設(shè)備。

    運(yùn)動(dòng)控制主要包括：位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力矩控制；運(yùn)動(dòng)控制的按照動(dòng)力實(shí)現(xiàn)方式不同，可以分為電機(jī)傳動(dòng)，氣動(dòng)和液壓。工業(yè)機(jī)器人主要采用交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的趨勢(shì)基本上也是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的趨勢(shì)，比如性能提升，智能化，模塊化和網(wǎng)絡(luò)化等。而服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方式更加多樣化，技術(shù)路徑更加豐富多彩。

2.2.1電機(jī)的應(yīng)用：移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和小型人形機(jī)器人平臺(tái)

    電機(jī)控制在機(jī)器人中應(yīng)用廣泛，特別是在人形機(jī)器人和移動(dòng)平臺(tái)中，至少用幾十個(gè)電機(jī)，多的上百個(gè)電機(jī)。

2.2.2液壓和電機(jī)的混合應(yīng)用：人形機(jī)器人

    美國(guó)DARPA(美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局)舉行的機(jī)器人比賽是展現(xiàn)人形機(jī)器人最先進(jìn)能力的比賽，比賽的機(jī)器人主要有兩種不同的技術(shù)路線，純電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，但實(shí)際情況是除了ATLAS是液壓外其他都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2015年大賽的第一名是韓國(guó)KAIST的機(jī)器人，全部運(yùn)用電機(jī)方案，驅(qū)動(dòng)80公斤重的機(jī)器人，需要的電機(jī)不僅數(shù)量多，電機(jī)的功率要求也高。第二名是波士頓動(dòng)力的ATLAS，它是液壓和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的，主要的動(dòng)力來(lái)自于液壓驅(qū)動(dòng)，只有一些關(guān)節(jié)部分由于空間限制采用了電機(jī)。

3、運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展前景

    運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)很大程度上取決于下游機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)的景氣度，其中，機(jī)床行業(yè)是運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品最大的下游市場(chǎng)。據(jù)IHS估算，2015年機(jī)床(金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)床)超運(yùn)動(dòng)控制銷售額的40%，特別是數(shù)控產(chǎn)品高度集中于機(jī)床行業(yè)，超過(guò)八成的數(shù)控產(chǎn)品銷售額來(lái)自于該行業(yè)。IHS季度機(jī)械行業(yè)追蹤數(shù)據(jù)顯示機(jī)床行業(yè)在連續(xù)兩年的增長(zhǎng)后，2015年出現(xiàn)下滑，特別是在亞太及美國(guó)市場(chǎng)的大幅下滑。中國(guó)是全球最大的機(jī)床生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)增速及行業(yè)投資的放緩，金屬切削及成形機(jī)床均在2015年出現(xiàn)兩位數(shù)下滑，嚴(yán)重沖擊運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)需求。美國(guó)機(jī)床行業(yè)同樣遭遇寒冬，行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2015年機(jī)床行業(yè)訂單比2014年減少17.4%。其他傳統(tǒng)自動(dòng)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(jī)械等消費(fèi)品相關(guān)的下**業(yè)的需求穩(wěn)定。此外，機(jī)器人和智能手機(jī)相關(guān)的電子裝聯(lián)行業(yè)表現(xiàn)突出，強(qiáng)力支撐通用運(yùn)動(dòng)控產(chǎn)品的需求。

    全球宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)及機(jī)械設(shè)備行業(yè)表現(xiàn)是深度影響運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)走勢(shì)的兩大主要因素。IHS連續(xù)多年追蹤全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)行情的數(shù)據(jù)顯示，該行業(yè)在近些年隨著全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境的轉(zhuǎn)變及下流產(chǎn)業(yè)的需求變化呈現(xiàn)猛烈波動(dòng)的趨勢(shì)。

    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(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品在工業(yè)以太網(wǎng)、模塊化及分布式伺服驅(qū)動(dòng)器、深度軟件開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線仍是伺服驅(qū)動(dòng)器及控制器的主流通訊技術(shù)，2015年分別有53.5%及79.4%的驅(qū)動(dòng)器及運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)4.0，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣，要求實(shí)時(shí)、高效的工業(yè)設(shè)備通訊。IHS預(yù)計(jì)2015-2020年工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的應(yīng)用將保持年均近20%的高速增長(zhǎng)，逐步取代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在眾多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，西門子主導(dǎo)的PROFINET與羅克韋爾推行的EtherNet/IP受益于兩大公司在PLC及運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，將保持強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，此外，倍福主導(dǎo)研發(fā)的EtherCAT技術(shù)因其開(kāi)源性在近年來(lái)越來(lái)越多地受到運(yùn)動(dòng)控制廠商的認(rèn)可，增速高于其他應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的通訊協(xié)議。IHS預(yù)計(jì)截至2020年，超六成的驅(qū)動(dòng)器及近三成的運(yùn)動(dòng)控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

4、結(jié)論

    運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)依賴機(jī)床、包裝機(jī)械、機(jī)器人、半導(dǎo)體、電子等下游機(jī)械行業(yè)，隨下游市場(chǎng)波動(dòng)較大。隨著行業(yè)應(yīng)用的不斷拓展，工業(yè)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的深度推進(jìn)，運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)將走向更加成熟、穩(wěn)健的發(fā)展軌道。