摘要：运动控制技术已成为机电一体化的关键技术。本文介绍了机器人的分类以及各种应用方向，分析了不同运动控制在机器人上的应用与发展现状。介绍了智能移动机器人技术的发展现状，以及世界各国智能移动机器人的发展水平，然后讨论了运动控制在智能移动机器人中的发展趋势以及对未来技术的展望。
关键词：智能移动机器人；运动控制；发展前景、
前言
机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。智能移动机器人则是一个在感知-思维-效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。一部智能移动机器人应该具备三方面的能力：感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。智能移动机器人与工业机器人的根本区别在于，智能移动机器人具有感知功能与识别、判断及规划功
随着智能移动机器人的应用领域的扩大，人们期望智能移动机器人在更多领域为人类服务，代替人类完成更复杂的工作。然而,智能移动机器人所处的环境往往是未知的、很难预测。智能移动机器人所要完成的工作任务也越来越复杂;对智能移动机器人行为进行人工分析、设计也变得越来越困难。目前，国内外对智能移动机器人的研究不断深入。
高速度高精度的运动控制是工业机器人的优势。工业机器人固定在工位上完成相应的搬运，焊接，喷涂，抛光，上下料等工作，工作效率很高。但在工厂换线的时候需要对机器人进行重新布局和编程，造成工厂停工时间长。而协作机器人布局灵活，可以装在移动平台上，提高了机器人的运动能力和产线的柔性，可以灵活部署。最近几年大公司对机器人移动能力的方向非常关注，有很多起对移动机器人的收购兼并案例。而各种各样的服务机器人对运动能力的要求更是有增无减，波士顿动力的ATLAS机器人的运动能力就达到相当高的水准。
1、智能机器人发展现状
智能移动机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。
目前研制中的智能移动机器人智能水平并不高，只能说是智能移动机器人的初级阶段。智能移动机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能移动机器人的自主性，这是就智能移动机器人与人的关系而言，即希望智能移动机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能移动机器人的适应性，提高智能移动机器人适应环境变化的能力，这是就智能移动机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。
智能移动机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能移动机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。
在各国的智能移动机器人发展中，美国的智能移动机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策，各类机器人包括智能移动机器人的发展迅速。欧洲各国在智能移动机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大。
2、运动控制技术的发展及应用前景
随着机电一体化技术的发展,世界各国对运动控制技术越来越重视。各种运动控制的新技术、新产品如雨后春笋层出不穷。下面介绍几种有代表性的运动控制技术。
2.1全闭环交流伺服驱动技术(FullClosedACServo)
在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,广泛使用数字式交流伺服系统。这种伺服系统的驱动器对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统。位置控制分辨率高,可靠性好。
通常情况下,带位置环的伺服系统,位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器,对于传动链上的间隙及误差还不能补偿克服,只能形成半闭环的位置控制系统。日本松下公司新近推出了一种更加完善、可以实现更高精度的全闭环全数字式的伺服系统。该系统克服了上述半闭环系统的缺陷,位置环的采样可以直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),而电机上的编码器此时仅作为速度环的反馈,这样就可以消除机械存在的一些间隙,并且该伺服系统还可以对机械传动上出现的误差进行补偿,达到真正全闭环的功能,实现高精度的位置控制。该系统广泛应用于数控机床等高精度数控设备。
2.2直线电机驱动技术(LinerMotorDriving)
近几年来,直线电动机在机床进给伺服系统中的应用,已在世界机床行业得到重视。在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是前者取消了从电动机到工作台之间的一切机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零。这种传动方式被称为零传动!。正是由于这种零传动!方式,带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的优良性能和特点:一是响应快。由于系统中取消了一些响应时间常数较大的机械传动件如丝杠等,使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高。二是精度高。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差,减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差,故大大提高了机床的定位精度。三是传动刚度大。由于直接驱动,避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩檫磨损和反向间隙造成的滞后现象,大大提高了其传动刚度。四是速度快且加减速过程短。直线电机最早应用于磁悬浮列车(速度可达8300M/min),故在机床进给驱动中使用直线电机,完全可以满足机床超高速切削的最大进给速度(60(100M/min)。也是由于其高速响应性,使其加减速过程大大缩短。五是行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电机,可以无限延长其行程长度。六是运动安静。由于取消了丝杠等部件的机械摩檫,且导轨又可采用滚动导轨或磁悬浮导轨,其运动时噪音大大降低。七是效率高。由于无中间传动环节,消除了机械摩檫时的能量损耗,提高了传动效率。因此该系统广泛应用于磁悬浮列车、高精度机床等设备。
运动控制主要包括：位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力矩控制；运动控制的按照动力实现方式不同，可以分为电机传动，气动和液压。工业机器人主要采用交流伺服电机控制系统，交流伺服运动控制的趋势基本上也是机器人运动控制的趋势，比如性能提升，智能化，模块化和网络化等。而服务机器人的运动控制方式更加多样化，技术路径更加丰富多彩。
2.2.1电机的应用：移动机器人平台和小型人形机器人平台
电机控制在机器人中应用广泛，特别是在人形机器人和移动平台中，至少用几十个电机，多的上百个电机。
2.2.2液压和电机的混合应用：人形机器人
美国DARPA(美国国防部先进研究项目局)举行的机器人比赛是展现人形机器人最先进能力的比赛，比赛的机器人主要有两种不同的技术路线，纯电机驱动和液压电机混合驱动，但实际情况是除了ATLAS是液压外其他都是电机驱动。2015年大赛的第一名是韩国KAIST的机器人，全部运用电机方案，驱动80公斤重的机器人，需要的电机不仅数量多，电机的功率要求也高。第二名是波士顿动力的ATLAS，它是液压和电机混合驱动的，主要的动力来自于液压驱动，只有一些关节部分由于空间限制采用了电机。
3、运动控制发展前景
运动控制市场很大程度上取决于下游机械设备制造行业的景气度，其中，机床行业是运动控制产品最大的下游市场。据IHS估算，2015年机床(金属切削机床、金属成形机床)超运动控制销售额的40%，特别是数控产品高度集中于机床行业，超过八成的数控产品销售额来自于该行业。IHS季度机械行业追踪数据显示机床行业在连续两年的增长后，2015年出现下滑，特别是在亚太及美国市场的大幅下滑。中国是全球最大的机床生产及消费国，随着经济增速及行业投资的放缓，金属切削及成形机床均在2015年出现两位数下滑，严重冲击运动控制市场需求。美国机床行业同样遭遇寒冬，行业数据显示，2015年机床行业订单比2014年减少17.4%。其他传统自动化行业，如橡胶、塑料、纺织、造纸等行业需求低迷。食品饮料、包装机械等消费品相关的下**业的需求稳定。此外，机器人和智能手机相关的电子装联行业表现突出，强力支撑通用运动控产品的需求。
全球宏观经济形势及机械设备行业表现是深度影响运动控制市场走势的两大主要因素。IHS连续多年追踪全球运动控制市场行情的数据显示，该行业在近些年随着全球经济环境的转变及下流产业的需求变化呈现猛烈波动的趋势。
工业4.0、智能制造、工业物联网等概念的深入推广与逐步落地，极大地推动了运动控制产品在工业以太网、模块化及分布式伺服驱动器、深度软件开发等领域的发展。目前，现场总线仍是伺服驱动器及控制器的主流通讯技术，2015年分别有53.5%及79.4%的驱动器及运动控制器通过现场总线连接网络。随着工业4.0，工业物联网的推广，要求实时、高效的工业设备通讯。IHS预计2015-2020年工业以太网技术在运动控制市场的应用将保持年均近20%的高速增长，逐步取代现场总线技术。在众多工业以太网协议中，西门子主导的PROFINET与罗克韦尔推行的EtherNet/IP受益于两大公司在PLC及运动控制市场的主导地位，将保持强势增长，此外，倍福主导研发的EtherCAT技术因其开源性在近年来越来越多地受到运动控制厂商的认可，增速高于其他应用于运动控制产品的通讯协议。IHS预计截至2020年，超六成的驱动器及近三成的运动控制器采用工业以太网技术。
4、结论
运动控制市场依赖机床、包装机械、机器人、半导体、电子等下游机械行业，随下游市场波动较大。随着行业应用的不断拓展，工业智能化和网络化的深度推进，运动控制市场将走向更加成熟、稳健的发展轨道。
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