智能控制應用于機器人行業中（3篇）范文

本站小編為你精心準備了智能控制應用于機器人行業中（3篇）參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

第一篇：機器人設計中智能控制的應用

摘要：

研究基于嵌入式的雙足機器人控制系統設計，以Cortex-M3內核的STM32F013ZET6控制芯片作為系統微控制器，設計出控制系統的總體架構方案。該控制系統結合無線傳輸、傳感器技術與嵌入式技術，以模塊化設計實現數據采集、數據傳輸和指令執行。采用無線射頻模塊CC1101負責遠程操作控制，運用多軸運動處理組件MPU6050監測機器人姿態并實時反饋，并處理數據使得機器人快速調整相應姿態，通過PC終端操作系統及顯示結果。經過多次的實驗測試，系統各個模塊配合良好，實時性好、性能穩定，能夠實現自由行走。

關鍵詞：

機器人；雙足行走；自動控制；數據采集

隨著科學技術和生活水平的不斷提高，以及機器人技術的深入研究，機器人技術因其高效、精準的優點，為人類帶來便利。近年來，關于利用機器人技術幫助行動不便人士的研究逐步深入，例如幫助患者步行、上樓梯、跨越障礙物，達到模仿人的動作效果[1]。為行走不便人士帶來福音，仿生直立雙足機器人有重要的研究價值和意義[2]。但這對機器人控制系統的安全性、穩定性、實時性提出了更加高的要求。因此，以Cortex-M3內核的STM32F013ZET6微處理器為核心，設計出一種實時性好、性能穩定、方便操控的雙足機器人控制系統。

1系統設計

機器人控制系統是由機載控制系統、無線通信系統、PC上位機監控系統組成，其中機載控制系統是本系統設計核心部分。圖1為機器人控制系統的總體結構圖。PC上位機通過采用CC1101無線模塊將控制指令傳送到機載控制系統，機載控制系統收到控制指令后執行指令并通過自定義協議加密成數據包后反饋到監控上位機顯示，通過實時信息反饋能夠了解機器人狀態參數，并能完成監控機器人數據采集—數據傳輸—指令執行的實施，實現智能化監控。

1.1系統硬件設計

機載控制系統的主控制器選用具有高性能、低功耗的Cortex-M3內核STM32F013ZET632位處理器，工作頻率最高可達到72MHz，擁有16個外部中斷，可以滿足多路中斷處理數據，以及內部多達16個定時器，每個定時器可以4個脈沖計數器，可以完成多路PWM的控制，并且該芯片自帶2個I2C通信接口、5個USART接口、3個SPI接口等，通過這些通信接口可以快速地進行數據采集和數據交換，提高機器人控制系統實時性。控制系統圍繞著STM32F013ZET6搭建起主控制處理信息接收以及信息輸出的功能，形成機載控制系統。它由電源模塊、陀螺儀模塊、無線模塊、主控模塊、加速度計模塊、舵機組模塊組成，電源部分采用TI的穩壓芯片LM2596S，該芯片可以滿足多個舵機聯合啟動以及芯片電源供給，系統并且采用MPU6050模塊和角度傳感器MMA7361實時采集機器人直立狀態通過采用無線模塊CC1101進行數據包反饋到監控上位機。機器人通過搭載MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等模塊可以實現對不同環境下精確數據采集和改變機器人狀態等功能[3]。

1.2角度檢測設計

采用MPU6050模塊和MMA7361角度傳感器作為姿態數據采集的傳感器，MPU6050模塊整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，可以通過高達400kHz快速模式的I2C，最高至20MHz的SPI串行主機接口進行數據交換，模塊通過PID算法和卡爾曼濾波算法將角速度和加速計融合計算出角度，該模塊用于機器人檢測重心方向。并采用具有MMA7361角度傳感器頻率及解析度高，提供精確的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺自我檢測等特點。主控芯片通過A/D數模轉換并采取歸一算法減小零點溫漂。該模塊采集精度高，用于檢測機器人腿部角度，通過腿部角度估算出機器人步伐大小，這樣能夠更好的控制機器人，增強系統的穩定性[4]。

1.3超聲波模塊壁障設計

為了更好的保護機器人機身，防止其與物體發生碰撞，系統采用超聲波模塊HC-05，它具有指向性強，功耗低，采集距離遠等優點。主控制器通過使用推挽形式將脈沖信號加到超聲波換能器兩端，這樣可以提高超聲波的發射強度，使機器人感知距離更遠，同時機器人通過控制安裝在超聲波上的舵機轉動，通過不同角度采集回來的距離進行比較，選擇合適路徑進行直立行走，實現自動壁障功能。使用超聲波模塊可以使機器人更好利用活動空間完成任務，機器人捕捉到距離通過無線將距離實時發送到上位機反饋顯示。

1.4數據傳輸系統設計

無線通信系統通過使用主控芯片的USART接口器完成數據發送以及數據接收，將接收到的數據進行解幀得到真正的數據，使得數據傳輸簡單。機器人通信和PC上位機通信采用一致的幀格式協議進行加密，即使用8位數據，一個起始位和一個停止位的形式[5]，為了保證數據準確性和有效性，機器人將采集到數據通過采取加工帶有校驗功能。為了有利于系統后期的功能拓展和硬件維護，程序和硬件均采用模塊化的設計，同時使系統具有規范性和可靠性。系統采用CC1101無線模塊作為該電路的數據傳輸模塊，該無線傳輸模塊與微控制器的電路接口采用串行通信原理，硬件連接示意圖如圖2所示。數據間通信使用標準的RS-232接口，并設計高速光耦隔離PC817模塊以及接入頻率更高的外部晶振，以提高芯片運行速度和增強EMC電磁兼容性能[6]，使系統更加穩定可靠。通過接收PC上位機的控制指令，完成機器人的控制、數據采集和發送等功能。

1.5監控上位機設計

監控上位機用于觀察機器人實時狀態以及實現控制機器人的行走、靜態轉彎及上下樓梯等操作，PC上位機監控系統對機器人要求有多種監控方式[7]，有PC監控上位機手動控制、遙控指令控制、預先脫機程序智能控制等。控制系統要求能判斷中斷優先級、而且能夠同時實現多任務實施和數據采集，形成動作控制—動作完成—信息反饋，完成機器人的信息接收、信息處理、信息輸出等功能，實現人性化、智能化[8]。在目前的嵌入式操作系統中有Linux、UC/OS、UC/GUI等多種，都具備各自的優勢[9]。機器人系統要求軟件的編寫可靠、簡單易操作。因此，本系統的采用VB開發一款功能全面的監控上位機。

2系統測試

機器人監控系統也是該控制系統的重要組成部分，PC上位機要求不僅能夠給機器人發送控制指令到機器人，并且能接收機器人上的傳感器單元（MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等）采集到的數據采用數據包的形式進行反饋顯示，能夠實現上位機和無人機控制程序之間雙向通信，完成機器人所需的任務。這次測試機器人控制系統的行走狀態，通過實驗結果表明機器人成功實現原地踏步、直線行走、靜態轉彎等動作，系統能夠及時響應。

3結論

文中設計了基于嵌入式的仿生直立雙足機器人控制系統，系統的硬件和軟件均采用模塊化的設計方法，有利于系統后期的功能拓展和硬件維護，并對MPU6050模塊采集回來的角度通過運用PID控制算法和卡爾曼濾波算法解算合成，采用超聲波模塊檢測安全距離實現機器人自我保護的功能，通過各模塊相互協助成功地實現了機器人實現原地踏步、直線行走、靜態轉彎及上下樓梯等運動。系統整體繞著ARM構成的微控制器運轉，具有行走穩定、運動迅速、接收信號靈敏等特點。仿生直立機器人涉及到仿生學、運動學、動力學及自動控制理論的綜合運用，在臨床醫學、義肢設計等領域得到更好的發展與應用。

參考文獻：

[1]張彤.仿人機器人步行控制及路徑規劃方法研究[D].廣東：華南理工大學，2010.

[2]史耀強.雙足機器人步行仿真與實驗研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[3]劉丞.自主移動機器人測控系統關鍵技術的研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[4]朱雅光.基于阻抗控制的多足步行機器人腿部柔順控制研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[5]姚建偉.基于STM32的服務機器人的集成通信系統研制[D].武漢：武漢工程大學，2014.

[6]丁敏.電磁干擾及其抑制措施的分析[J].科技傳播，2014，16:67-68.

[7]伍延祿.基于嵌入式的移動機器人無線遠程控制[D].北京：北京化工大學，2011.

[8]袁明.多自由度多傳感器機器人控制系統研究[D].西安:長安大學，2013.

[9]郝玉勝.uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統內核移植研究及其實現[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[10]魏建新.足球機器人模糊PID控制算法的應用研究[D].重慶：重慶理工大學，2012.

作者:余有明 莫浩明 余澤煌 單位:廣東工業大學華立學院

第二篇：智能控制在機器人行業中的應用

摘要：

我國對于機器人的研究起步較晚，技術相對比較落后，為了提升機器人行業發展的速度，國家制定了相應的政策，鼓勵智能控制的發展及在機器人行業中的普及。本文對智能控制技術的發展歷程及主要算法進行介紹，并提出了智能控制在機器人行業中的具體應用方法，以期促進我國機器人行業的發展，縮小與國際先進技術之間的差距。

關鍵詞：

智能控制;機器人;原理;應用

1引言

機器人的研究與應用自20世紀以來得到了普遍發展，改變了人們傳統的手工作業方式，使得各行各業向著自動化的方向發展。可以說，機器人的出現在很大程度上改變了人類的生活，伴隨著科技的進步，機器人行業得以迅速發展，使得人們的思維也發生了一定變化。作為自動化控制技術史上的一個重要里程碑，智能控制技術的誕生顛覆了控制技術的概念。在智能控制技術中，結合了計算機技術、智能技術以及人工神經網絡技術等多方面的先進技術，該技術與機器人的結合極大地促進了機器人行業的發展，因此對智能控制在機器人行業中的應用進行研究具有現實意義。

2智能控制技術

智能控制技術的誕生使得人們的生活發生了翻天覆地的變化，應用范圍廣泛，作為其應用領域之一的機器人行業，其發展方向也發生了改變。在智能控制技術的發展歷程中，主要經歷了兩個階段，一是對最基本理論方法的研究，二是通過綜合多種理論方法達到更加理想的效果，也就是智能控制技術的集成化發展[1]。在智能控制技術中，應用到的算法主要有以下兩種：一是遺傳算法，二是蟻群算法。所謂遺傳算法指的是以生物學遺傳機制與進化論原理為基礎，從而展開一種并行隨機搜索的優化算法。在這種算法中，主要根據選取的適配值函數完成對個體的篩選，保留適配值高的個體，從而組成一個新群體，這種新群體不僅具備了上一代信息，而且優于上一代，通過此方式不斷循環，不斷提升群體中的個體適應度，直到符合條件為止；而蟻群算法所依賴的是群體智慧，其主要原理與螞蟻尋找食物所走的路線相似，為螞蟻制定幾條路線，領頭螞蟻選擇次數最多的路線即為最優路線。該算法主要應用于工業系統，尤其是在配電網的優化規劃中應用中更為普遍。最近幾年，人工智能與機器人技術發展比較迅速，廣大學者們又開始對智能控制進行重點研究。一些智能控制系統像專家控制、模糊控制、神經控制以及故障診斷等已經逐漸應用于工業控制、機器人控制等的各個過程[2]。這種國際形勢使得國內的智能控制研究開始活躍，經常舉辦一些有關的學術會議以及其他的學術活動，也涌現出了一系列的研究成果，種種跡象表明，智能控制在我國已經作為一種獨立學科而發展起來了。在智能控制技術的發展歷程中，人工神經網絡在環境感知和路徑規劃方面應用廣泛，它的發展對于豐富其理論起了極大的促進作用，它在機器人行業中的應用極大提升了其人性化。在復雜環境中怎樣使機器人能夠選取一種最優路線成為當前學者研究的熱點問題，即所謂的路徑規劃問題。在地質勘探中，對于路徑規劃的應用比較普遍，機器人能夠在復雜的環境中代替人類完成一些高難度任務。在此有必要介紹一些神經網絡在局部路徑規劃中的應用。所謂局部路徑規劃也可以稱之為動態碰壁規劃，在全局規劃的前提下，通過對即時采集的局部環境信息進行分析，在最短時間內制定出躲避障礙物路線。可以看出，局部路徑規劃是感知空間到行動空間的映射。這種映射關系的實現方法靈活多樣，無法用一個固定的公式來表達。因此，在這一過程中使用神經網絡最為合適，同時還可以引進模糊算法、遺傳算法等使神經網絡的類型豐富，從而更完美地實現局部規劃。

3智能控制在機器人行業中的應用

伴隨著計算機技術的發展，在機器人領域的科技發展愈加全面，把人工智能及傳感器等技術應用于機器人行業就是其中的而一個例子。從動力學原因分析，機器人行業的有關技術呈現出非線性及動態性特點，對于機器人的控制技術也必須具備多樣化的特點，這就需要在機器人行業中必須引進智能控制技術。

3.1對機器人行動路線的控制

根據機器人的機械原理分類，一種腿部由四條連桿和動輪組成的機器人，在移動過程中主要依靠對滾輪的角度進行控制來實現。在對該種機器人的移動路線進行設定時，一般的控制器根本無法實現對非線性系統的控制，這就需要采用智能控制技術的作用，主要是模糊神經網絡自適應控制的方法在此種控制中發揮了極大作用。通過該控制模式的使用，機器人的系統誤差被控制在了一定的范圍之內，而且對機器人移動路線的控制更加精準。

3.2機器人的行動計劃

在十字路口要想對多個機器人的行動進行控制，就要對機器人的回避與協調問題進行考慮。智能控制理論在此問題中能夠解決機器人的集中式路線設計和分布式行動特點這些難題。根據每個機器人在單獨行動時的路線，在單路行動路線不變的基礎上采用分布式行動特點進行設計，使機器人在有可能發生碰撞的區域進行避讓，通過這種設計思想，也就避免了多個機器人的碰撞[3]。此種方式的應用，充分說明智能控制能夠很好地解決多個機器人行動時的回避與協調問題。

4結語

在我國，智能控制技術正在處于發展階段，其技術并不成熟，機器人行業作為其應用的主要方面之一，在其設計中如果能夠結合多種智能控制技術的應用，能夠促使機器人行業獲得新的發展，為人類提供更大的便利。

參考文獻：

[1]武星,樓佩煌,楊雷等.基于視野狀態分析的機器人路徑跟蹤智能預測控制[J].機器人,2009,31(04):357-364.

[2]蔡自興.智能控制及移動機器人研究進展[J].中南大學學報(自然科學版),2005,36(05):721-726.

[3]謝存禧,顏波,張鐵等.磁懸浮伺服的機器人裝配夾具及其智能控制[J].機器人,2001,23(05):442-446.

作者:王頔 單位:安陽工學院

第三篇：機器人領域中智能控制的應用

摘要：

智能控制理論是工業發展的必然產物，隨著工業水平的不斷發展，傳統工程生產中人工主導已經成為過去時，機器人正在成為當前工業生產的重要組成部分。本文簡述了智能控制的發展過程，并對傳統控制理論存在的弊端進行了分析，同時對智能控制在機器人領域中的應用加以介紹。

關鍵詞：

智能控制；機器人；現代控制

1智能控制的發展

智能控制是自動控制技術發展的高級產物，它集合了人工智能、系統控制、信息通信、神經物理學、計算機技術等多種學科，是當前科技領域一種新型的高級的學科。隨著智能控制的不斷發展，該技術所顯現出來的優勢已經得到了廣泛認可。現階段有關智能控制的定義尚未達成統一，IEEE控制系統協會歸納總結為：智能控制系統是一種高度集成的系統，它能夠實現模擬人類學習和自適應等功能，能夠完成控制者設定工作。從智能控制性質上來講，它具有一定的學習與記憶能力，能夠在一定程度上自我適應周圍環境的變化；能夠更為有效的處理多種信息和數據，最大限度的降低信息處理不確定性；能夠自我選擇更為有效和準確的處理方式，完成預定工作和生產內容，并達到要求目標。從總體上來看，智能控制共經歷了四個發展階段：萌芽、發展初期、迅速發展時期、新時期。

2傳統控制理論的弊端

相較于一些發達國家而言，我國智能控制理論尚處于起步階段。為了能夠更好的適應當前工業發展的需求，我國政府在近些年也出臺了一系列政策，圍繞我國工業實際情況來支持智能控制的進步。現階段，我國智能控制領域的研究主要集中在自動化理論、技術及應用幾個方面，重點發展具有一定優勢的技術，以優勢帶動劣勢，盡可能的在較短時間內縮小與先進國家智能控制的差距。傳統控制理論在工業生產中所存在的弊端主要有以下幾個方面：

（1）傳統控制理論基礎是線性系統，對于工業生產中經常出現的復雜、非線性等變量無法得以可靠控制，也不便于構建數學模型來解決實際問題。

（2）傳統控制理論更多是在理想條件下所得出的，而實際生產環境與之有著根本性的區別。

（3）基于傳統控制理論研發的機器人無法自我獲取有效的數學模型，進而在運行過程中的動作與實際存在著一定程度的偏差。傳統控制理論在這些方面存在的弊端直接限制了工業水平的發展，因此深入研究現代控制理論，發展智能控制成為必然。智能控制理論可以采用Matlab來進行數學建模，結合一系列約束條件，將“人”的思想傳遞給模型進而實現可靠控制，完成預定目標。這種建模過程可以分為兩大步驟：首先是模型的建立與形式化，能夠真是反應實際情況的模型，通過人為思考來對實際工作環境與內容進行充分理解；其次是形式化模型的分析與操作，以便可靠控制整個生產流程。隨著現代控制理論的不斷發展，數學建模已經得到了非常廣泛的應用，尤其是在人工智能與仿真的結合上，模型的概念已經根深蒂固。從某種意義上來說，智能控制就是人工智能與控制工程的深入結合。

3智能控制在機器人領域中的應用

傳統工業生產線主要依靠人工操作，受控制技術的限制這種傳統生產方式效率低下而且成本高，無法滿足現代工業生產的要求。近些年來，隨著計算機技術、通信技術、控制理論的不斷發展，自動化程度已經成為評定一個國家工業化水平的標準，智能機器人正在逐步取代人工成為生產線上的主導。通過給機器人預先設定程序算法，控制其執行所指定的工作。

3.1機器人視覺伺服控制

從當前實際情況來看，智能控制已經是控制理論發展的高級階段，將智能控制技術與機器人視覺伺服系統相結合是該領域的重要課題之一。研究人員Well將四點特征、傅里葉算子與幾何矩陣作為機器人神經網絡的輸入參數，并在六自由度機器中中進行了全面定位實驗。從實驗結果來看，機器人能夠進行全局圖像分析，更好的去適應實際工業生產環境，提高整個工作過程中的定位精度。Sun采用Kohonen網絡和BP網絡來實現機器人視覺控制。Kohonen網絡通過兩個攝像機實時記錄周圍環境變化，并將這些信息轉換為視覺信號來進行全局控制；BP網絡則是通過安裝在機器人手臂上的兩個末端攝像機來采集視覺信號，實現機器人的局部控制。F.L.Lewis基于無源理論進行了FunctionalLinkNeuralNetwork網絡研究，從機器人動力學的角度出發，深入談老了該網絡的自實行控制算法。這種算法能夠從根本上逼近實際誤差，進而避免機器人在工作中可能出現的控制震顫。國內唐潤宏等研究人員在視覺伺服系統中加入了FCMAC控制算法，這種算法的主要特點就是能夠對動態目標進行可靠跟蹤，對靜態目標進行準確定位。謝冬梅等研究人員采用BP神經網絡來代替圖像雅克比矩陣和機器人雅克比矩陣，進而簡化機器人控制系統中的冗余變量，更好的實現機器人操作定位于跟蹤效果。

3.2機器人運動規劃控制

實際工業生產過程中需要多個不同功能的機器人相互協作，這就需要對機器人的運動進行規劃設置。現階段主要采用集中與分布相結合的方法來控制路徑和速度分解。機器人運動規劃系統分為上下兩級，上級系統主要是用來對機器人運動路徑進行集中規劃，下級系統主要是對機器人運動路徑進行分布控制。所謂集中規劃，即是只為生產過程中所使用的每一個機器人制定相應的路徑規則，規劃其運動的起點位置和終點目標。但集中規劃控制需要設定一個前提，即假定機器人運動路線上沒有任何障礙。同時機器人運動規劃控制還需要一套完整的交通規則，運動范圍內要制定優先級策略，就是說不同功能機器人在運動過程中相遇哪一個優先通過，這種規則還可以協調和規劃機器人的運動速度，避免相互之間形成干擾。

4結束語

機器人是當前自動控制領域的一個重要研究內容，工業控制中機器人的廣泛應用極大地提高了工作效率和質量。智能控制理論的不斷發展給機器人應用提供了更為廣闊的想象空間，筆者在今后的工作中將繼續致力于該領域的研究工作，以期能夠獲得更多更有價值的研究成果。

參考文獻：

[1]林祥勇.智能控制在機器人中的應用[J].哈爾濱師范大學自然科學學報,2013(06):37-40.

[2]路浩,呂安松.焊接機器人及其在高速列車智能制造中的應用[J].焊接技術,2015(11):53-56.

[3]孫鳳英,王珊珊.論智能控制在機器人領域應用研究[J].科技展望,2016(14):14.

作者:王敏 單位:天津中德應用技術大學