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本文作者:工作單位:安徽埃夫特智能裝備有限公司
從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),可以采用辯證法內(nèi)外因基本原理來(lái)分析影響重載機(jī)器人控制品質(zhì)的因素,首先,如果系統(tǒng)存在動(dòng)力學(xué)耦合、柔性等非線性因素,僅僅采用傳統(tǒng)的線性控制很難獲得良好的控制品質(zhì),底層伺服回路的控制缺陷是影響機(jī)器人控制品質(zhì)的內(nèi)因。第二,如果運(yùn)動(dòng)規(guī)劃環(huán)節(jié)處理不當(dāng),傳輸給底層運(yùn)動(dòng)控制回路的運(yùn)動(dòng)指令不合理,即存在位置不連續(xù),速度不連續(xù),加速度躍變等情況,對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊,即便底層伺服控制設(shè)計(jì)再優(yōu)秀,同樣也會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制品質(zhì),這就是所謂的外因。下面就從內(nèi)外因角度對(duì)目前在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和底層伺服控制方面的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行綜述。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與軌跡規(guī)劃是指根據(jù)一定規(guī)則和邊界條件產(chǎn)生一些離散的運(yùn)動(dòng)指令作為機(jī)器人伺服回路的輸入指令。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的輸入是工作空間中若干預(yù)設(shè)點(diǎn)或其他運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的約束條件;運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的輸出為一組離散的位置、速度和加速度序列。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法設(shè)計(jì)過(guò)程中主要需要考慮以下三個(gè)問(wèn)題:(1)規(guī)劃空間的選取:通常情況下,機(jī)器人軌跡規(guī)劃是在全局操作空間內(nèi)進(jìn)行的,因?yàn)樵谌植僮骺臻g內(nèi),對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的軌跡規(guī)劃、避障及幾何約束描述更為直觀。然而在一些情況下,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃會(huì)轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間內(nèi)完成。在關(guān)節(jié)空間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃優(yōu)點(diǎn)如下:a.關(guān)節(jié)空間內(nèi)規(guī)劃可以避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)及自由度冗余所帶來(lái)種種問(wèn)題[1-4];b.機(jī)器人系統(tǒng)控制量是各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩,用于調(diào)節(jié)各軸驅(qū)動(dòng)力矩的軸伺服算法設(shè)計(jì)通常情況也是在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的,因此更容易將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一考慮[5,6];c.關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃可以避免全局操作空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃帶來(lái)的每一個(gè)指令更新周期內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆計(jì)算帶來(lái)的計(jì)算量,因?yàn)槿绻噶罡轮芷谳^短,將會(huì)對(duì)CPU產(chǎn)生較大的計(jì)算負(fù)荷。(2)基礎(chǔ)函數(shù)光滑性保證:至少需要位置指令C2和速度指令C1連續(xù),從而保證加速度信號(hào)連續(xù)。不充分光滑的運(yùn)動(dòng)指令會(huì)由于機(jī)械系統(tǒng)柔性激起諧振,這點(diǎn)對(duì)高速重載工業(yè)機(jī)器人更為明顯。在產(chǎn)生諧振的同時(shí),軌跡跟蹤誤差會(huì)大幅度增加,諧振和沖擊也會(huì)加速機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部件的磨損甚至損壞[7]。針對(duì)這一問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者引入高次多項(xiàng)式或以高次多項(xiàng)式為基礎(chǔ)的樣條函數(shù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃,其中Boryga利用多項(xiàng)式多根的特性,分別采用5次、7次和9次多項(xiàng)式對(duì)加速度進(jìn)行規(guī)劃,表達(dá)式中僅含有一個(gè)獨(dú)立參數(shù),通過(guò)運(yùn)動(dòng)約束條件,最終確定參數(shù)值,并比較了各自性能[8]。Gasparetto采用五次B樣條作為規(guī)劃基礎(chǔ)函數(shù),并將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度平方的積分作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以確保運(yùn)動(dòng)指令足夠光滑[9]。劉松國(guó)基于B樣條曲線,在關(guān)節(jié)空間內(nèi)提出了一種考慮運(yùn)動(dòng)約束的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,將運(yùn)動(dòng)學(xué)約束轉(zhuǎn)化為樣條曲線控制頂點(diǎn)約束,可保證角度、角速度和角加速度連續(xù),起始點(diǎn)和終止點(diǎn)角速度和角加速度可以任意配置[10]。陳偉華則在Cartesian空間內(nèi)分別采用三次均勻B樣條,三次非均勻B樣條,三次非均勻有理B樣條進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[11]。(3)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中最優(yōu)化問(wèn)題:目前常用的目標(biāo)函數(shù)主要為運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行能耗和加速度。其中關(guān)于運(yùn)行時(shí)間最優(yōu)的問(wèn)題,較為經(jīng)典是Kang和Mckay提出的考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩上限的時(shí)間最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,然而該算法加速度不連續(xù),因此對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)力矩指令也是不連續(xù)的,即加速度為無(wú)窮大,對(duì)于真實(shí)的電驅(qū)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊,大幅度降低系統(tǒng)的跟蹤精度,對(duì)機(jī)械本體使用壽命也會(huì)產(chǎn)生影響[12]。針對(duì)上述問(wèn)題Constantinescu提出了解決方法,在考慮動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,增加對(duì)力矩和加速度的約束,并采用可變?nèi)莶罘▽?duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解[13]。除了以時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)外,其他指標(biāo)同樣被引入最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型中。Martin采用B函數(shù),以能耗最少為優(yōu)化目標(biāo),并將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題,針對(duì)數(shù)值病態(tài)問(wèn)題,提出了具有遞推格式的計(jì)算表達(dá)式[14]。Saramago則在考慮能耗最優(yōu)的同時(shí),將執(zhí)行時(shí)間作為優(yōu)化目標(biāo)之一,構(gòu)成多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),最終的優(yōu)化結(jié)果取決于兩個(gè)目標(biāo)的權(quán)重系數(shù),且優(yōu)化結(jié)果對(duì)于權(quán)重系數(shù)選擇較為敏感[15]。Korayem則在考慮機(jī)器人負(fù)載能力,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩上限和彈性變形基礎(chǔ)上,同時(shí)以在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的位置波動(dòng),速度波動(dòng)和能耗為目標(biāo),給出了一種最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法[6],然而該方法在求解時(shí),收斂域較小,收斂性較差,計(jì)算量較大。
考慮部件柔性的機(jī)器人控制算法機(jī)器人系統(tǒng)剛度是影響動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)重要因素。一般情況下,電氣部分的系統(tǒng)剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械部分。雖然重載工業(yè)機(jī)器人相對(duì)于輕型臂來(lái)說(shuō),其部件剛度已顯著增大,但對(duì)整體質(zhì)量的要求不會(huì)像輕型臂那么高,而柔性環(huán)節(jié)仍然不可忽略,原因有以下兩點(diǎn):(1)在重載情況下,如果要確保機(jī)器人具有足夠的剛度,必然會(huì)增加機(jī)器人部件質(zhì)量。同時(shí)要達(dá)到高速高加速度要求,對(duì)驅(qū)動(dòng)元件功率就會(huì)有很高的要求,實(shí)際中往往是不可實(shí)現(xiàn)(受電機(jī)的功率和成本限制)。(2)即使驅(qū)動(dòng)元件功率能夠達(dá)到要求,機(jī)械本體質(zhì)量加大會(huì)導(dǎo)致等效負(fù)載與電機(jī)慣量比很大,這樣就對(duì)關(guān)節(jié)剛度有較高的要求,而機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度是有上限的(主要由減速器剛度決定)。因此這種情況下不管是開(kāi)鏈串聯(lián)機(jī)構(gòu)還是閉鏈機(jī)構(gòu)都會(huì)體現(xiàn)出明顯的關(guān)節(jié)柔性[16,17],在重載搬運(yùn)機(jī)器人中十分明顯。針對(duì)柔性部件帶來(lái)的系統(tǒng)控制復(fù)雜性問(wèn)題,傳統(tǒng)的線性控制將難以滿足控制要求[17-19],目前主要采用非線性控制方法,可以分成以下幾大類:(1)基于奇異攝動(dòng)理論的模型降階與復(fù)合控制首先針對(duì)于柔性關(guān)節(jié)控制問(wèn)題,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校著名控制論學(xué)者M(jìn)arkW.Spong教授于1987年正式提出和建立柔性關(guān)節(jié)的模型和奇異攝動(dòng)降階方法。對(duì)于柔性關(guān)節(jié)的控制策略絕大多數(shù)都是在Spong模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于模型的階數(shù)高,無(wú)法直接用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了降階。Spong首先將奇異攝動(dòng)理論引入了柔性關(guān)節(jié)控制,將系統(tǒng)分成了慢速系統(tǒng)和邊界層系統(tǒng)[20],該方法為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。Wilson等人對(duì)柔性關(guān)節(jié)降階后所得的慢速系統(tǒng)采用了PD控制律,將快速邊界層系統(tǒng)近似為二階系統(tǒng),對(duì)其阻尼進(jìn)行控制,使其快速穩(wěn)定[21]。針對(duì)慢速系統(tǒng)中的未建模非線性誤差,Amjadi采用模糊控制完成了對(duì)非線性環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)[22]。彭濟(jì)華在對(duì)邊界層系統(tǒng)提供足夠阻尼的同時(shí),將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入慢速系統(tǒng)控制,有效的克服了參數(shù)未知和不確定性問(wèn)題。連桿柔性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程階數(shù)較高,Siciliano和Book將奇異攝動(dòng)方法引入柔性連桿動(dòng)力學(xué)方程的降階,其基本思想與將奇異攝動(dòng)引入柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程一致,都將柔性變形產(chǎn)生的振動(dòng)視為暫態(tài)的快速系統(tǒng),將名義剛體運(yùn)動(dòng)視為準(zhǔn)靜態(tài)的慢速系統(tǒng),然后分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合控制,并應(yīng)用于單柔性連桿的控制中[23]。英國(guó)Sheffield大學(xué)A.S.Morris教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在柔性關(guān)節(jié)奇異攝動(dòng)和復(fù)合控制方面開(kāi)展了持續(xù)的研究。在2002年利用Lagrange方程和假設(shè)模態(tài)以及Spong關(guān)節(jié)模型建立柔性關(guān)節(jié)和柔性連桿的耦合模型,并對(duì)奇異攝動(dòng)理論降階后的慢速和快速子系統(tǒng)分別采用計(jì)算力矩控制和二次型最優(yōu)控制[24]。2003年在解決柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡跟蹤控制時(shí),針對(duì)慢速系統(tǒng)參數(shù)不確定問(wèn)題引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替原有的計(jì)算力矩控制[25].隨后2006年在文獻(xiàn)[24]所得算法和子系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性要求,在邊界層采用Hinf控制,在慢速系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[26]。隨著相關(guān)研究的開(kāi)展,有些學(xué)者開(kāi)始在奇異攝動(dòng)理論與復(fù)合控制的基礎(chǔ)上作出相應(yīng)改進(jìn)。由于奇異攝動(dòng)的數(shù)學(xué)復(fù)雜性和計(jì)算量問(wèn)題,Spong和Ghorbel提出用積分流形代替奇異攝動(dòng)[27]。針對(duì)奇異攝動(dòng)模型需要關(guān)節(jié)高剛度假設(shè),在關(guān)節(jié)柔度較大的情況下,劉業(yè)超等人提出一種剛度補(bǔ)償算法,拓展了奇異攝動(dòng)理論的適用范圍[28]。(2)狀態(tài)反饋和自適應(yīng)控制在采用奇異攝動(dòng)理論進(jìn)行分析時(shí),常常要同時(shí)引入自適應(yīng)控制律來(lái)完成對(duì)未知或不精確參數(shù)的處理,而采用積分流形的方式最大的缺點(diǎn)也在于參數(shù)的不確定性,同樣需要結(jié)合自適應(yīng)控制律[29,30]。因此在考慮柔性環(huán)節(jié)的機(jī)器人高動(dòng)態(tài)性能控制要求下,自適應(yīng)控制律的引入具有一定的必要性。目前對(duì)于柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人自適應(yīng)控制主要思路如下:首先根據(jù)Spong模型,機(jī)器人系統(tǒng)階數(shù)為4,然后通過(guò)相應(yīng)的降階方法獲得一個(gè)二階的剛體模型子系統(tǒng),而目前的大多數(shù)柔性關(guān)節(jié)自適應(yīng)控制律主要針對(duì)的便是二階的剛體子系統(tǒng)中參數(shù)不確定性。Spong等人提出了將自適應(yīng)控制律引入柔性關(guān)節(jié)控制,其基于柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)奇異攝動(dòng)方程,對(duì)降階剛體模型采用了自適應(yīng)控制律,主要采用的是經(jīng)典的Slotine-Li自適應(yīng)控制律[31],并通過(guò)與Cambridge大學(xué)Daniel之間互相糾正和修改,確立一套較為完善的基于奇異攝動(dòng)模型的柔性關(guān)節(jié)自適應(yīng)控制方法[32-34]。(3)輸入整形控制輸入整形最原始的思想來(lái)自于利用PosicastControl提出的時(shí)滯濾波器,其基本思想可以概括為在原有控制系統(tǒng)中引入一個(gè)前饋單元,包含一系列不同幅值和時(shí)滯的脈沖序列。將期望的系統(tǒng)輸入和脈沖序列進(jìn)行卷積,產(chǎn)生一個(gè)整形的輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。最原始的輸入整形方法要求系統(tǒng)是線性的,并且方法魯棒性較差,因此其使用受到限制。直到二十世紀(jì)九十年初由MIT的Signer博士大幅度提高該方法魯棒性,并正式將該方法命名為輸入整形法后[35],才逐漸為人們重視,并在柔性機(jī)器人和柔性結(jié)構(gòu)控制方面取得了一系列不錯(cuò)的控制效果[36-39]。輸入整形技術(shù)在處理柔性機(jī)器人控制時(shí),可以統(tǒng)一考慮關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性。對(duì)于柔性機(jī)器人的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制問(wèn)題,要求快速消除殘余振蕩,使機(jī)器人快速精確定位。
這類問(wèn)題對(duì)于輸入整形控制來(lái)說(shuō)是較容易實(shí)現(xiàn)的,但由于機(jī)器人柔性環(huán)節(jié)較多,呈現(xiàn)出多個(gè)系統(tǒng)模態(tài),因此必須解決多模態(tài)輸入整形問(wèn)題。相關(guān)學(xué)者對(duì)多模態(tài)系統(tǒng)的輸入整形進(jìn)行了深入研究。多模態(tài)系統(tǒng)的輸入整形設(shè)計(jì)方法一般有:a)級(jí)聯(lián)法:為每個(gè)模態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器,然后將所有模態(tài)的時(shí)滯濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián),組合成一個(gè)完整的濾波器,以抑制所有模態(tài)的振蕩;b)聯(lián)立方程法:直接根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度曲線建立一系列的約束方程,通過(guò)求解方程組來(lái)得到濾波器。這兩種方法對(duì)系統(tǒng)的兩種模態(tài)誤差均有很好的魯棒性。級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,且對(duì)高模態(tài)的不敏感性比聯(lián)立方程法要好;聯(lián)立方程法比較直接,濾波器包含的脈沖個(gè)數(shù)少,減少了運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于多模態(tài)輸入整形控制Singer博士提出了一種高效的輸入整形方法,其基本思想為:首先在靈敏度曲線上選擇一些滿足殘留振蕩最大幅值的頻段,在這些特定的頻帶中分別選擇一些采樣頻率,計(jì)算其殘留振蕩;然后將各頻率段的殘留振蕩與期望振蕩值的差平方后累加求和,構(gòu)成目標(biāo)函數(shù),求取保證目標(biāo)函數(shù)最小的輸入整形序列。將頻率選擇轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題,對(duì)于多模態(tài)系統(tǒng),則在每個(gè)模態(tài)處分別選擇頻率采樣點(diǎn)和不同的阻尼系數(shù),再按上述方法求解[40]。SungsooRhim和WayneBook在2004年針對(duì)多模態(tài)振動(dòng)問(wèn)題提出了一種新的時(shí)延整形濾波器,并以控制對(duì)象柔性模態(tài)為變量的函數(shù)形式給出了要消除殘余振動(dòng)所需最基本條件。同時(shí)指出當(dāng)濾波器項(xiàng)數(shù)滿足基本條件時(shí),濾波器的時(shí)延可以任意設(shè)定,消除任何給定范圍內(nèi)的任意多個(gè)柔性振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生的殘余振動(dòng),為輸入整形控制器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)[41],同時(shí)針對(duì)原有輸入整形所通常處理的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制問(wèn)題進(jìn)行了有益補(bǔ)充,M.C.Reynolds和P.H.Meckl等人將輸入整形應(yīng)用于關(guān)節(jié)空間的軌跡控制,提出了一種時(shí)間和輸入能量最優(yōu)的軌跡控制方法[42]。(4)不基于模型的軟計(jì)算智能控制針對(duì)含有柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和無(wú)法精確建模,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算方法更多地被引入用于對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行近似。Ge等人利用高斯徑向函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)的反饋線性化,仿真結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的基于模型的反饋線性化控制,采用該方法系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能較好,對(duì)于參數(shù)不確定性和動(dòng)力學(xué)模型的變化魯棒性較強(qiáng),但是整個(gè)算法所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于所需節(jié)點(diǎn)較多,計(jì)算量較大,并且需要全狀態(tài)反饋,狀態(tài)反饋量獲取存在一定困難[43]。孫富春等人對(duì)于只具有關(guān)節(jié)傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)在輸出反饋控制的基礎(chǔ)上引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于逼近機(jī)器人模型,克服無(wú)法精確建模的非線性環(huán)節(jié)帶來(lái)的影響,從而提高機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能[44]。A.S.Morris針對(duì)整個(gè)柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型提出了相應(yīng)的模糊控制器,并用GA算法對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,之后在模糊控制器的基礎(chǔ)上,綜合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近功能對(duì)剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償[45]。除采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)外,模糊控制也在柔性機(jī)器人控制中得以應(yīng)用。具有代表性的研究成果有V.G.Moudgal設(shè)計(jì)了一種具有參數(shù)自學(xué)習(xí)能力的柔性連桿模糊控制器,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,并與常規(guī)的模糊控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較[46]。Lin和F.L.Lewis等人在利用奇異攝動(dòng)方法基礎(chǔ)上引入模糊控制器,對(duì)所得的快速子系統(tǒng)和慢速子系統(tǒng)分別進(jìn)行模糊控制[4748]。快速子系統(tǒng)的模糊控制器采用最優(yōu)控制方法使柔性系統(tǒng)的振動(dòng)快速消退,慢速子系統(tǒng)的模糊控制器完成名義軌跡的追蹤,并對(duì)單柔性梁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Trabia和Shi提出將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和末端振動(dòng)變形分別設(shè)計(jì)模糊控制器進(jìn)行控制,由于對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)只有一個(gè)控制目標(biāo),所以模糊規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單,最后將兩個(gè)控制器的輸出進(jìn)行合成,完成復(fù)合控制,其思想與奇異攝動(dòng)方法下進(jìn)行復(fù)合控制類似[49]。隨后又對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn),同樣采用分布式結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)輸出變量重要性進(jìn)行評(píng)估,得出關(guān)節(jié)和末端點(diǎn)的速度量要比位置量更為重要,因此將模糊控制器分成兩部分,分別對(duì)速度和位置進(jìn)行控制,并利用NelderandMeadSimplex搜索方法對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行更新[50]。采用基于軟計(jì)算的智能控制方法相對(duì)于基于模型的控制方法具有很多優(yōu)勢(shì),特別是可以與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合,完成對(duì)傳統(tǒng)方法無(wú)法精確建模的非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行逼近,但是目前這些方法的研究絕大部分還處于仿真階段,或在較簡(jiǎn)單的機(jī)器人(如單自由度或兩自由度機(jī)器人)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。其應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn)受限的主要原因在于計(jì)算量大,但隨著處理器計(jì)算能力的提高,這些方法還有廣泛的應(yīng)用前景。
焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于:焊接參數(shù)穩(wěn)定,大幅提高了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量;使操作工人遠(yuǎn)離焊接弧光、煙霧和焊渣飛濺的侵害,極大地改善了工作條件;可以24h連續(xù)工作,大幅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人自上世紀(jì)一七五科技攻關(guān)開(kāi)始起步,經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,在機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造、控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和智能應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,弧焊機(jī)器人已廣泛應(yīng)用在汽車及裝備制造等領(lǐng)域的焊裝線上。科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,使工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)不斷向大型復(fù)雜開(kāi)放的方向發(fā)展,反過(guò)來(lái)又對(duì)焊接機(jī)器人等工業(yè)技術(shù)提出了更高的要求,虛擬仿真技術(shù)、人工智能控制和多智能體協(xié)同工作系統(tǒng)等高新技術(shù)正成為焊接機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn),不斷推進(jìn)焊接機(jī)器人向著更先進(jìn)的數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展。
1虛擬仿真高新技術(shù)
虛擬仿真技術(shù)是在信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,將先進(jìn)的仿真技術(shù)手段與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,對(duì)事件的現(xiàn)實(shí)性從時(shí)間和空間上進(jìn)行分解后重新組合的技術(shù)。這一技術(shù)包括了三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多功能傳感技術(shù)、人工智能、高清晰度的顯示技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果,是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。在機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)階段,由于機(jī)器人的機(jī)械手是多自由度的空間連桿機(jī)構(gòu),如果采用傳統(tǒng)的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析,那么難度非常大。如果利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù),將機(jī)械手的幾何參數(shù)及各組成零件的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征與機(jī)器人學(xué)理論結(jié)合,運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件將其模擬出來(lái),再對(duì)其進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)和受力分析,就可以得到直觀且可靠的結(jié)果。在機(jī)器人試驗(yàn)過(guò)程中,由真實(shí)設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)綜合組成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,讓機(jī)器人在仿真環(huán)境中模擬正常工作狀態(tài),這樣不僅加快了機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力檢測(cè)的進(jìn)度,也縮短了其在工作環(huán)境中的安裝和調(diào)整周期,更避免了許多在常規(guī)計(jì)算中難以測(cè)算的動(dòng)態(tài)障礙、十涉等問(wèn)題。
2多智能體協(xié)調(diào)控制高新技術(shù)
多智能體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是指多個(gè)智能體通過(guò)系統(tǒng)控制互相協(xié)調(diào)、配合,協(xié)同工作,能夠共同完成一項(xiàng)工作任務(wù)的組合系統(tǒng),是近年來(lái)剛剛興起的一項(xiàng)開(kāi)放J陛智能新技術(shù)。多智能體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在單體智能機(jī)器人的基礎(chǔ)上,為了適應(yīng)復(fù)雜工作而將多個(gè)機(jī)器人的工作組合協(xié)調(diào),相互關(guān)聯(lián)。在搭建該控制系統(tǒng)時(shí),重點(diǎn)考慮多個(gè)智能體的協(xié)調(diào)運(yùn)作,即每個(gè)智能體按控制要求,在規(guī)定時(shí)間和空間內(nèi)完成既定任務(wù),且與相關(guān)聯(lián)的智能體在時(shí)間和動(dòng)作上協(xié)調(diào)一致,相互間有信息交互,具備一定的調(diào)節(jié)反饋能力。多智能控制體系利用一個(gè)控制系統(tǒng),組成一個(gè)龐大的復(fù)雜的體系,完成復(fù)雜的工作目標(biāo),解決了一個(gè)全局性問(wèn)題。其特點(diǎn)在于,將本應(yīng)非常復(fù)雜的硬件和軟件控制系統(tǒng),分解成了相對(duì)簡(jiǎn)單的、獨(dú)立的、相互間有信息反饋、彼此協(xié)調(diào)的多個(gè)單智能體單元。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了資源共享、信息互通、互相協(xié)調(diào)、互相控制,通過(guò)易于管理、可靈活調(diào)整的多個(gè)單體,完成各種復(fù)雜的工作任務(wù)。
3智能傳感器高新技術(shù)
近年來(lái),隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,傳感器技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步,在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上,發(fā)展起了多種新型智能傳感器。在焊接機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的有電弧傳感器、超聲波觸覺(jué)傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光纖陀螺慣性測(cè)量的三維運(yùn)動(dòng)傳感器,以及包括光譜、光纖、紅外等在內(nèi)的光傳感器等。智能傳感器技術(shù)對(duì)機(jī)器人技術(shù)向高精方向發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。電弧傳感器的工作原理是直接從焊接電弧本身獲取焊縫偏差信息,不需要任何附加裝置,具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用了視覺(jué)傳感器的機(jī)器人,通過(guò)視覺(jué)控制不需要預(yù)先對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行示教或離線編程,可節(jié)約大量的編程時(shí)間,提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。同時(shí),為了使智能機(jī)器人系統(tǒng)獲取更加全面、準(zhǔn)確的環(huán)境信息,以滿足其綜合決策的需要,一種以多傳感器聯(lián)合為基礎(chǔ)的信息采集處理系統(tǒng),即多傳感器智能信息融合技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生,與傳統(tǒng)只能測(cè)量一種信息的智能傳感器相比,其性能大為提高。
4結(jié)語(yǔ)
機(jī)器人技術(shù)教育是指圍繞機(jī)器人而開(kāi)展的教與學(xué)活動(dòng),幼兒到成人都可以是教育對(duì)象,它以多視角、多樣化的教學(xué)模式,達(dá)到寓教于樂(lè)的教育目的。機(jī)器人技術(shù)教育的內(nèi)容,并不受限于傳統(tǒng)的教學(xué)模式。以機(jī)器人作為教學(xué)活動(dòng)的載體,不僅可以使教學(xué)具有科技含量,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、綜合實(shí)踐能力和協(xié)作能力。當(dāng)然,在近年來(lái)的各類科技活動(dòng)項(xiàng)目中,與機(jī)器人有關(guān)的項(xiàng)目不算很多,關(guān)于機(jī)器人的創(chuàng)新教學(xué),還處于初級(jí)階段。因此,探究怎樣通過(guò)機(jī)器人教學(xué)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力,是現(xiàn)階段最迫切需要解決的問(wèn)題之一。
1.機(jī)器人技術(shù)教育的意義
提升學(xué)生的創(chuàng)新能力創(chuàng)新能力作為一個(gè)國(guó)家、民族進(jìn)步和繁榮的動(dòng)力,在當(dāng)今社會(huì),其價(jià)值不言而喻。我國(guó)的傳統(tǒng)應(yīng)試教育模式已被質(zhì)疑多年,每年培養(yǎng)出的人才雖然在數(shù)量上遠(yuǎn)超西方一些國(guó)家,但其質(zhì)量參差不齊,尤其是在創(chuàng)新能力方面不能盡如人意。盡管近幾年一直在提倡素質(zhì)教育,卻仍然無(wú)法改變現(xiàn)狀。因此,學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。隨著機(jī)器人教育活動(dòng)日益普及,它在培養(yǎng)青少年創(chuàng)造力過(guò)程中凸顯的優(yōu)勢(shì)已受到各界關(guān)注。機(jī)器人教育圍繞學(xué)生因材施教,教師只扮演引導(dǎo)者的作用,傳授最基本的理論知識(shí),剩下的需要學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐來(lái)獲取新的知識(shí)和信息。對(duì)于一些問(wèn)題,學(xué)生必須給出自己的創(chuàng)新解決方案,這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。
2.提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣
愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò):“對(duì)一切來(lái)說(shuō),只有熱愛(ài)才是最好的老師,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)責(zé)任感。”這表明了興趣的培養(yǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)的重要性。因?yàn)橛信d趣,所以會(huì)專注,學(xué)生學(xué)習(xí)效率的高低在很大程度上取決于是否有學(xué)習(xí)興趣。機(jī)器人技術(shù)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并改變傳統(tǒng)的教育模式和理念,以玩帶學(xué),在娛樂(lè)中、在好奇心的驅(qū)使下,讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)。
3.增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)
機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)所需要的知識(shí)相當(dāng)廣泛,完成這個(gè)任務(wù)需要讓學(xué)生分成組,由組內(nèi)成員一同探索學(xué)習(xí)。如果某一成員有了新發(fā)現(xiàn),大家可以一起分享、討論、協(xié)商,共同進(jìn)步和學(xué)習(xí),組與組之間進(jìn)行比拼。這其實(shí)就是團(tuán)體之間的競(jìng)爭(zhēng)。學(xué)生在團(tuán)隊(duì)精神的作用下,能夠?qū)W會(huì)相互關(guān)心、相互幫助,并且在此過(guò)程中產(chǎn)生關(guān)心團(tuán)隊(duì)的責(zé)任意識(shí),學(xué)會(huì)自覺(jué)維護(hù)團(tuán)隊(duì)的集體榮譽(yù),還學(xué)會(huì)了如何與人溝通、相處、包容,以及約束自己的行為。采用這種培養(yǎng)方式,是讓學(xué)生在實(shí)踐中去學(xué)習(xí),用心去感受,這種教育模式相比傳統(tǒng)的口頭說(shuō)教更具有效果。
二、開(kāi)展機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新教育的有效途徑和方法
1.開(kāi)設(shè)相關(guān)課程補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)
可以采取多種形式相互結(jié)合的方式補(bǔ)充相關(guān)專業(yè)知識(shí)。并且針對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生,可以開(kāi)設(shè)不同的班型,課程包含一些必要的、基礎(chǔ)的專業(yè)知識(shí),從機(jī)器人發(fā)展史到專業(yè)術(shù)語(yǔ),以及機(jī)械方面的內(nèi)容,循序漸進(jìn),由易到難。為了使學(xué)生們便于理解和學(xué)習(xí),建議理論課學(xué)習(xí)結(jié)束后開(kāi)始一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)課程來(lái)提高孩子們的動(dòng)手實(shí)踐能力。
2.提高授課人的相關(guān)能力
機(jī)器人課程的開(kāi)設(shè)有別于其他課程,因?yàn)檫@門(mén)課程涉及的知識(shí)面很廣,跨越多個(gè)相關(guān)專業(yè)。因此,這門(mén)課程的考核評(píng)估辦法也要區(qū)別于其他傳統(tǒng)課程。機(jī)器人課程的開(kāi)設(shè),首先要求教師要明確自己課程的目標(biāo)、內(nèi)容,以及相關(guān)課程的組織實(shí)施、課程評(píng)估。機(jī)器人課程需要學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)量大且范圍廣,這就需要授課教師時(shí)刻追蹤相關(guān)課程內(nèi)容的變化更新,并做好相關(guān)課程規(guī)劃,要了解學(xué)生參與課程的程度,并及時(shí)根據(jù)教學(xué)實(shí)際調(diào)整傳授方法。因此,課程開(kāi)設(shè)后,授課人會(huì)面臨一些新的教學(xué)觀念、材料和策略的挑戰(zhàn)。這就需要教師的授課能力(包含制訂課程目標(biāo)、明確課程內(nèi)容、課程組織實(shí)施、課程評(píng)估等4個(gè)方面的能力)有全面地提高。
3.開(kāi)展機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)