机器人控制：系统、设计、仿真与交互
https://p1-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/caf34ee40e0a469ea34a63bf250f85a3?from=pc作者简介杨辰光，华南理工大学教授、博导，广东省智能系统控制工程技术研究中心主任，入选国家级青年人才计划，欧盟玛丽居里个人学者国际引进计划。曾开创性地提出仿人机器人变阻抗控制方法，获得机器人领域顶级期刊IEEE Transactions on Robotics最佳论文奖，以及IEEE信息自动化年会等十余项国际会议最佳论文奖，并入选科睿唯安全球高被引科学家。担任美国IEEE高级会员，多个IEEE Transactions等国际知名期刊副编。主要研究方向为人机交互、智能控制等，在机器人领域有丰富的教学经验。正文机器人技术是目前最有发展前景的科学研究领域之一。随着机电一体化、传感器技术、计算机科学（人工智能）、新型材料、生物工程等技术的飞速发展，机器人由单纯地替代人完成危险、复杂、重复性作业的工具，逐步升级为具备感知、决策和执行能力的智能化的装备，并可以根据用户需求开发出千变万化的实际应用，融入从生产制造到社会生活的各个方面。作为机器人的“大脑”，机器人控制技术决定了机器人执行性能的优劣。该技术主要通过传感器采集信息，采用合理的规划、控制算法，使得机械部分完成目标操作，其最终目的是尽可能减小机器人输出结果与期望信号的偏差（例如轨迹、接触力），以达到理想的控制效果。https://p1-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/54b7e880fa9a4940aac5fd16d143aaa5?from=pc
01 机器人的控制系统机器人的控制系统是指由控制主体（作业指令程序）、控制客体（传感器的反馈信号）和控制媒体（执行机构）组成的具有自身目标和功能的管理系统，该技术的发展及其相关软、硬件技术的进步极大地提升了机器人功能和性能。控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、关节力矩、操作顺序及动作的时间等，其基本功能包括示教-再现功能、坐标设置功能、与外围设备的联系功能、位置伺服功能等。https://p3-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/ed2a8aa3167a4d588c4e9e84a95ea6c0?from=pc图1 Baxter机器人控制系统总体框架
02 机器人控制技术机器人控制技术是机器人为完成指定动作和任务所需的控制策略、方法等，主要包括位置控制、力矩控制和智能控制技术三个方面。位置控制和力矩控制是智能控制技术产生的基础,，其核心包含对速度、加速度、位置和力的控制，并融合了开环系统、PID反馈系统、控制最优系统等经典的控制技术。作为机器人的基础控制技术，位置及力矩控制技术发展至今相对成熟，且逐步趋于完善。智能控制作为机器人能够自主完成从感知-控制-执行回路的核心，通过运用综合性技术手段，将人工智能（神经网络、贝叶斯网络、专家系统等）与现代控制理论（最优控制、模糊控制、自适应控制等）相结合，发挥各自优势，进而整体提升机器人的智能化程度与任务完成质量。https://p6-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/8b4c388cbef141918de494ed083dc2a1?from=pc图2 机器人位置控制示意图
https://p3-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/421111750b8d41d2af91de6da0b975a9?from=pc图3 机器人关节速度控制示意图
03 机器人控制器的设计与仿真机器人的控制器相当于人类的大脑，工业机器人的控制器主要包括控制柜和示教器两个部分，控制柜中包含了多个PLC控制模块，通过对机器人的正向运动学以及逆向运动学求解，帮助机器人完成轨迹规划的工作；示教器是人机掌控的连接器，可用于编程和发送控制命令给控制柜以命令机器人运动。虽然我国的机器人制造与国际水平有一定的差距，但是我国的控制器产品日趋成熟。随着人口红利消退和产业升级需求扩张，中国制造业对工业机器人的需求旺盛。可以预见，未来几年中国工业机器人市场将持续扩张，伴随而来的是对控制器日益增长的需求。机器人控制器的仿真可以使用MATLAB、ROS等软件进行，建议参考《机器人仿真与编程技术》进行学习，详情可扫文末京东二维码浏览。https://p1-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/7bdd56ec8c8847468bda6789d03c3ff5?from=pc图4 使用VMware Workstation安装Ubuntu的安装界面
04 人机交互技术人机交互(human-robot interaction，HRI)旨在理解和改进人与机器人交互的所有方面，涉及人工智能、机器人、自然语言理解、心理学，以及社会科学等诸多领域的知识。人与机器人交互是机器人技术中的重要组成部分，传统交互方式通过外接硬件交互设备，如鼠标、键盘和遥控杆等，完成对机器人指令的传递等。目前，人们在追求交互设备的效果和舒适性的同时，对人机交互自然性有了更多需求，期望机器人在交互过程中可以像真人一样，能够察言观色，表达喜怒哀乐。此外，为了适应不同应用场景的控制需求，不同交互方式对于机器人控制技术要求也不同，其控制器的设计方案也不相同。例如基于视觉、触觉信号的人机交互平台对机器人控制的实时性要求较高，而基于生理信号（脑电、肌电信号）的人机交互系统则更注重控制的精准度。所以，对于不同类型的机器人，其控制系统的综合方法有较大差别，控制器的设计方案也有所不同。https://p1-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/c527b2744580458cbba4307c767533ca?from=pc图5 人机交互系统示意图：基于主从结构的阻抗匹配系统框架
05 人机交互—遥操作技术机器人遥操作技术是机器人研究领域中的一个重要分支，不仅是航空航天（空间站的维护、月球等行星探索）、海洋探索、原子能应用以及军事战争领域等高新技术领域发展急需的关键性技术，在休闲娱乐、医疗手术等方面也有重要作用。机器人遥操作技术可以在复杂、危险和未知的工作环境中来替代工人，并能够在人类无法到达的环境中工作，保证了作业的安全性和高效性。和传统工业机器人具有固定工作空间和特定作业对象不同，新一代遥操作机器的作业环境具有不确定性，作业任务具有复杂多样性。因此，这些遥操作机器人在控制性能上不仅要具有传统机器人的稳定性、可靠性，鲁棒性、高精度，同时也需要具有可与真人媲美的灵活性和多用性。目前，大多数机器人控制器都是针对传统工业机器人开发的，并不适合复杂、未知、多变的环境。因此，如何设计高效稳定的控制策略以实现良好的跟踪性能是遥操作机器人研究的一个关键问题。https://p1-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/e5eef7c3a1f44f5d83235727c9125bef?from=pc图6 基于神经网络实现对遥操作机器人进行高性能控制的框架图
06 人机交互—示教编程技术人们越来越期望机器人能够具有灵活的操作技能，能够在物理人机交互系统中适应更复杂的任务情况。示教编程技术（Programming by Demonstration，PbD）被认为是机器人学习人类的运动和操作技能最有效的方法之一。传统的PbD方法，通过操纵杆、键盘或人体运动捕捉设备完成端到端的点移动轨迹规划和快速编程；在“工业4.0”时代，大规模流程化生产向个性化定制生产转变，这对机器人生产线提出更高要求，需要频繁更改工艺流程、频繁地对机器人再编程。传统的机器人编程技术依赖专业工程师，编程繁琐、效率低下且动作僵化，难以适应个性化定制生产制造的需求；频繁地对机器人重新配置会增加企业负担。因此，寻求高效编程技术以适应新的生产模式十分必要。人机示教（Teaching by Demonstration，TbD）可以高效地将人的熟练的操作技能传递给机器人以实现对其快速编程。通过TbD，机器人能够有效地学习操作技能，通过人类的指导完成任务，即人先示教如何执行一项任务，然后机器人学习人类运动的特征。人机示教过程中，机器人想要完成给定的任务，需要一个性能优良的控制器保证其任务执行结果。因此，良好的控制器是实现机器人示教的前提。07 应用发展趋势随着人们对生活品质的追求和人力成本的增加，越来越多的机器人走进人们的日常生活之中，在为人们的生活提供最大的便利同时，以私人医生、老师、陪护的身份给人们带来身心的愉悦，目前的典型应用包括家政机器人、陪伴机器人、教育娱乐机器人与医疗康复机器人等。https://p3-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/2cb91367b0cc4862bb172be680563ae8?from=pc
根据上述应用趋势，未来机器人控制技术的智能化发展方向将主要围绕双向控制技术、语音控制技术、自主控制技术三个方面进行发展。双向控制技术旨在提高机器人控制器的智能化控制能力。语音控制技术可以通过语言交流让机器人完成目标任务，使机器人拥有更大的发展空间。自主控制技术能够让机器人。自主完成任务实现对机器人的自动化控制，是当前的研究重点和目标。
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