智能控制在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘 要 智能控制理論是工業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物，隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工程生產(chǎn)中人工主導(dǎo)已經(jīng)成為過(guò)去時(shí)，機(jī)器人正在成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。本文簡(jiǎn)述了智能控制的發(fā)展過(guò)程，并對(duì)傳統(tǒng)控制理論存在的弊端進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)智能控制在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用加以介紹。

【關(guān)鍵詞】智能控制 機(jī)器人 現(xiàn)代控制

1 智能控制的發(fā)展

智能控制是自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的高級(jí)產(chǎn)物，它集合了人工智能、系統(tǒng)控制、信息通信、神經(jīng)物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科，是當(dāng)前科技領(lǐng)域一種新型的高級(jí)的學(xué)科。隨著智能控制的不斷發(fā)展，該技術(shù)所顯現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可?，F(xiàn)階段有關(guān)智能控制的定義尚未達(dá)成統(tǒng)一，IEEE控制系統(tǒng)協(xié)會(huì)歸納總結(jié)為：智能控制系統(tǒng)是一種高度集成的系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等功能，能夠完成控制者設(shè)定工作。從智能控制性質(zhì)上來(lái)講，它具有一定的學(xué)習(xí)與記憶能力，能夠在一定程度上自我適應(yīng)周圍環(huán)境的變化；能夠更為有效的處理多種信息和數(shù)據(jù)，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(zhǔn)確的處理方式，完成預(yù)定工作和生產(chǎn)內(nèi)容，并達(dá)到要求目標(biāo)。

從總體上來(lái)看，智能控制共經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：萌芽、發(fā)展初期、迅速發(fā)展時(shí)期、新時(shí)期。

2 傳統(tǒng)控制理論的弊端

相較于一些發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)智能控制理論尚處于起步階段。為了能夠更好的適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的需求，我國(guó)政府在近些年也出臺(tái)了一系列政策，圍繞我國(guó)工業(yè)實(shí)際情況來(lái)支持智能控制的進(jìn)步?，F(xiàn)階段，我國(guó)智能控制領(lǐng)域的研究主要集中在自動(dòng)化理論、技術(shù)及應(yīng)用幾個(gè)方面，重點(diǎn)發(fā)展具有一定優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，以優(yōu)勢(shì)帶動(dòng)劣勢(shì)，盡可能的在較短時(shí)間內(nèi)縮小與先進(jìn)國(guó)家智能控制的差距。傳統(tǒng)控制理論在工業(yè)生產(chǎn)中所存在的弊端主要有以下幾個(gè)方面：

（1）傳統(tǒng)控制理論基礎(chǔ)是線性系統(tǒng)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的復(fù)雜、非線性等變量無(wú)法得以可靠控制，也不便于構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

（2）傳統(tǒng)控制理論更多是在理想條件下所得出的，而實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境與之有著根本性的區(qū)別。

（3）基于傳統(tǒng)控制理論研發(fā)的機(jī)器人無(wú)法自我獲取有效的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)作與實(shí)際存在著一定程度的偏差。傳統(tǒng)控制理論在這些方面存在的弊端直接限制了工業(yè)水平的發(fā)展，因此深入研究現(xiàn)代控制理論，發(fā)展智能控制成為必然。智能控制理論可以采用Matlab來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，結(jié)合一系列約束條件，將“人”的思想傳遞給模型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可靠控制，完成預(yù)定目標(biāo)。這種建模過(guò)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(yīng)實(shí)際情況的模型，通過(guò)人為思考來(lái)對(duì)實(shí)際工作環(huán)境與內(nèi)容進(jìn)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(gè)生產(chǎn)流程。

隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，數(shù)學(xué)建模已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在人工智能與仿真的結(jié)合上，模型的概念已經(jīng)根深蒂固。從某種意義上來(lái)說(shuō)，智能控制就是人工智能與控制工程的深入結(jié)合。

3 智能控制在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)線主要依靠人工操作，受控制技術(shù)的限制這種傳統(tǒng)生產(chǎn)方式效率低下而且成本高，無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制理論的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度已經(jīng)成為評(píng)定一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的標(biāo)準(zhǔn)，智能機(jī)器人正在逐步取代人工成為生產(chǎn)線上的主導(dǎo)。通過(guò)給機(jī)器人預(yù)先設(shè)定程序算法，控制其執(zhí)行所指定的工作。

3.1 機(jī)器人視覺(jué)伺服控制

從當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，智能控制已經(jīng)是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，將智能控制技術(shù)與機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)相結(jié)合是該領(lǐng)域的重要課題之一。研究人員Well將四點(diǎn)特征、傅里葉算子與幾何矩陣作為機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，并在六自由度機(jī)器中中進(jìn)行了全面定位實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，機(jī)器人能夠進(jìn)行全局圖像分析，更好的去適應(yīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，提高整個(gè)工作過(guò)程中的定位精度。Sun采用Kohonen網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺(jué)控制。Kohonen網(wǎng)絡(luò)通過(guò)兩個(gè)攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄周圍環(huán)境變化，并將這些信息轉(zhuǎn)換為視覺(jué)信號(hào)來(lái)進(jìn)行全局控制；BP網(wǎng)絡(luò)則是通過(guò)安裝在機(jī)器人手臂上的兩個(gè)末端攝像機(jī)來(lái)采集視覺(jué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的局部控制。F.L.Lewis基于無(wú)源理論進(jìn)行了Functional Link Neural Network網(wǎng)絡(luò)研究，從機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，深入談老了該網(wǎng)絡(luò)的自實(shí)行控制算法。這種算法能夠從根本上逼近實(shí)際誤差，進(jìn)而避免機(jī)器人在工作中可能出現(xiàn)的控制震顫。國(guó)內(nèi)唐潤(rùn)宏等研究人員在視覺(jué)伺服系統(tǒng)中加入了FCMAC控制算法，這種算法的主要特點(diǎn)就是能夠?qū)?dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行可靠跟蹤，對(duì)靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。謝冬梅等研究人員采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替圖像雅克比矩陣和機(jī)器人雅克比矩陣，進(jìn)而簡(jiǎn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)中的冗余變量，更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作定位于跟蹤效果。

3.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要多個(gè)不同功能的機(jī)器人相互協(xié)作，這就需要對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)置?，F(xiàn)階段主要采用集中與分布相結(jié)合的方法來(lái)控制路徑和速度分解。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)分為上下兩級(jí)，上級(jí)系統(tǒng)主要是用來(lái)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行集中規(guī)劃，下級(jí)系統(tǒng)主要是對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行分布控制。所謂集中規(guī)劃，即是只為生產(chǎn)過(guò)程中所使用的每一個(gè)機(jī)器人制定相應(yīng)的路徑規(guī)則，規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)目標(biāo)。但集中規(guī)劃控制需要設(shè)定一個(gè)前提，即假定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線上沒(méi)有任何障礙。同時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制還需要一套完整的交通規(guī)則，運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)要制定優(yōu)先級(jí)策略，就是說(shuō)不同功能機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相遇哪一個(gè)優(yōu)先通過(guò)，這種規(guī)則還可以協(xié)調(diào)和規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，避免相互之間形成干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人是當(dāng)前自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，工業(yè)控制中機(jī)器人的廣泛應(yīng)用極大地提高了工作效率和質(zhì)量。智能控制理論的不斷發(fā)展給機(jī)器人應(yīng)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(xù)致力于該領(lǐng)域的研究工作，以期能夠獲得更多更有價(jià)值的研究成果。

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作者簡(jiǎn)介

王敏（1982-），女，山東省諸城市人。研究生學(xué)歷。現(xiàn)為天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)講師。研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

作者單位

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 天津市 300350