工業(yè)機器人控制技術(shù)的策略比較研究

韓洋祺 鄭亞清 胡廣雪

摘 要：工業(yè)機器人控制技術(shù)所屬學(xué)科為機器人學(xué)，是包含機械、電氣、控制理論、電子計算機、人工智能等多學(xué)科交叉的前沿科技。主要涉及到機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型的建立、傳感器和執(zhí)行器的研發(fā)和運動控制策略的研究等內(nèi)容。近些年，隨著智能科技的發(fā)展以及機器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴張，一些人工智能和智能決策算法也應(yīng)用到機器人中。其中機器人學(xué)中核心技術(shù)是運動控制技術(shù)，也是廣受教授和學(xué)者們的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；控制技術(shù)；策略比較

工業(yè)機器人發(fā)展的情況很大程度上取決于運動控制技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)的發(fā)展主要分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。早期成熟的經(jīng)典控制理論為工業(yè)機器人的控制技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，而隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論逐漸成熟，并在工業(yè)機器人控制技術(shù)中得到應(yīng)用。智能控制理論正處于研究發(fā)展階段，在工業(yè)機器人的應(yīng)用并不是很成熟。工業(yè)機器人通常是多關(guān)節(jié)的，具有強耦合性，以及在模型的建立上具有非線性和不確定性等問題。而且工業(yè)機器人受運行時間和未知環(huán)境影響會產(chǎn)生不確定參數(shù)攝動、系統(tǒng)外部干擾和負載未建模的動態(tài)誤差等問題。導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制策略很難達到預(yù)期的控制效果，制約工業(yè)機器人控制性能的提高。

目前，隨著科技的不斷進步，人類社會的需求不斷提高，工業(yè)機器人的應(yīng)用需求不僅要求高度的靈活性、穩(wěn)定性、快速性和準確性，還要求可以人機交互和外部環(huán)境感知等。同時多變和復(fù)雜的工作環(huán)境要求工業(yè)機器人的控制技術(shù)不斷改進，傳統(tǒng)的控制策略已經(jīng)很難達到高精度、高性能的條件。需要更為先進的控制技術(shù)，其中常見的工業(yè)機器人控制策略主要有如下幾種：

（1）PID控制

其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，性能相對穩(wěn)定，應(yīng)用成熟，適用于低速、運動不復(fù)雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)。缺點是工業(yè)機器人系統(tǒng)是高度非線性的，缺少工業(yè)機器人模型的動態(tài)補償，PID控制難以保證工業(yè)機器人快速高精度運行以及工業(yè)機器人的動態(tài)性能和靜態(tài)品質(zhì)，控制效果較差。

（2）滑模控制

滑模控制的優(yōu)點在于具有較強的魯棒性，不需要特別精確的數(shù)學(xué)模型，只需要對滑模面和趨近律進行合理的設(shè)計即可。所以在非線性、不確定性的系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛。但是滑模控制會使控制系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的抖振現(xiàn)象，會嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結(jié)果的精度。

（3）迭代學(xué)習(xí)控制

迭代學(xué)習(xí)控制的優(yōu)勢在于不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而且控制器結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)。但是不能有效的抑制外界干擾和不確定性因素的影響，尤其是非周期性干擾和參數(shù)未知擾動。而且迭代學(xué)習(xí)控制還存在著學(xué)習(xí)速率慢、收斂精度低等其它問題。

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自學(xué)習(xí)任意函數(shù)，避免了自適應(yīng)控制中復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，同時不需要系統(tǒng)太多的先驗信息和參數(shù)信息，可以有效的解決模型不確定性的控制問題。

（5）其它智能控制

和傳統(tǒng)的控制策略不同，智能控制不需要對工業(yè)機器人系統(tǒng)進行準確的建模或者太多的考慮各種不確定性。可以通過在線學(xué)習(xí)能力，對系統(tǒng)進行在線的識別、建模，并不斷地進行完善，可以有效提高系統(tǒng)的控制效果。

課題項目：本文來源于重慶建筑科技職業(yè)學(xué)院2023年校級科研項目：工業(yè)機器人控制中的迭代滑膜控制應(yīng)用研究（編號2023021）。