工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

賴時伍（深圳市盛視科技有限公司，廣東深圳，518040）

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工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

賴時伍
（深圳市盛視科技有限公司，廣東深圳，518040）

摘要：工業(yè)機(jī)器人具有質(zhì)量穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲勞等優(yōu)勢，還能替代人類完成危險系數(shù)較高的工作任務(wù)。它的廣泛使用，不但可以提高生產(chǎn)效率，還能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低生產(chǎn)成本，減輕了工人的勞動壓力。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)是集合電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)軟硬件、人工智能傳感器等多種先進(jìn)技術(shù)的具備擬人功能的機(jī)械電子裝置，也是目前工業(yè)生產(chǎn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。社會經(jīng)濟(jì)與信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)過程中受到電、磁等多種因素干擾，均對工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)品參數(shù)提出了更高的要求。尤其是工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，必須要充分體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)是如何處理抗干擾與保持系統(tǒng)性能穩(wěn)定，進(jìn)而確保工業(yè)機(jī)器人的高效運(yùn)動控制。這也是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展攻堅(jiān)階段所面臨的難題之一。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動控制系統(tǒng)；模型；算法；設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人以其高效率、多功能、可替代人類從事高危工作、多自由度操作、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，被工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)廣泛采用。就工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用而言，運(yùn)動控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵組成。如果在設(shè)計(jì)階段無法獲得建模對象的完整且準(zhǔn)確的信息，勢必會影響工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)過程中控制算法的選擇，很有可能導(dǎo)致運(yùn)動控制模型建立的失敗。

1 工業(yè)機(jī)器人的組成與運(yùn)動控制模型的建立

工業(yè)機(jī)器人的組成相當(dāng)復(fù)雜，包括硬件和軟件兩類部件。

硬件共有機(jī)械手、控制器、驅(qū)動器、末端執(zhí)行器、傳感器五個部分。機(jī)械手，又稱操作臂，由連桿、活動關(guān)節(jié)與其他部件共同構(gòu)成的機(jī)器人主體部分；控制器，機(jī)器人發(fā)出信號、操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指令內(nèi)容并反饋信息的裝置部分。一般通過MCU、DSP等微控芯片聯(lián)合外圍設(shè)備，創(chuàng)新控制算法編程來達(dá)到對機(jī)械手的精準(zhǔn)操作；驅(qū)動器，是機(jī)器人的主要動能部分。接收控制器傳遞的信號，再根據(jù)信號操作機(jī)器人的運(yùn)動，常見類型有伺服電機(jī)、氣缸及液壓缸等；末端執(zhí)行器，是機(jī)器人關(guān)節(jié)的最后連接部分，屬直接用于操作的功能性部件；傳感器，裝置于機(jī)器人內(nèi)部，接收外部信息，控制機(jī)器人行動，也同外界溝通。

軟件包含控制算法程序、人機(jī)交互界面、集合的應(yīng)用子程序以及工業(yè)機(jī)器人專用的接口程序。

2 工業(yè)機(jī)器人控制算法的結(jié)構(gòu)類型

就國內(nèi)現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)而言，擴(kuò)展性達(dá)不到，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的高通用度的需求。為動態(tài)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制，擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，需要對工業(yè)機(jī)器人采用較多的控制算法的結(jié)構(gòu)類型作簡要梳理。

迭代控制算法。有開閉環(huán)迭代控制算法、高階迭代、具有遺忘因子的迭代、濾波型迭代、前饋—反饋迭代和最優(yōu)迭代控制算法。為保證運(yùn)動控制系統(tǒng)的收斂性，需要在迭代控制算法中找到效益更好的矩陣。這要求技術(shù)研發(fā)人員不斷豐富模型知識，具體操作起來工作量過大，計(jì)算不便，且容易形成對數(shù)學(xué)模型分析的過度依賴。工業(yè)機(jī)器人對于運(yùn)動控制系統(tǒng)的收斂速度與精準(zhǔn)度要求嚴(yán)格，尤其是在完成軌跡跟蹤等強(qiáng)耦合非線性環(huán)境下的工程作業(yè)。因此，有研究提出了系統(tǒng)的反饋輔助型的帶變增益迭代控制算法，通過具體課題項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)性研究，數(shù)據(jù)推演，得出了該控制算法的收斂性條件，雖然實(shí)驗(yàn)條件有限、研究不夠成熟，但仍然對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究具有一定可操作性的實(shí)際應(yīng)用價值。

復(fù)合控制算法。結(jié)合了傳統(tǒng)控制算法和現(xiàn)代控制算法，亦稱之為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—PID復(fù)合控制技術(shù)，通過PC端對收集到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，以穩(wěn)定性和動態(tài)性雙重檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來保證工業(yè)機(jī)器人對于伺服速度與準(zhǔn)確性的訴求。

3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)具體方案設(shè)計(jì)時，基本依從以下步驟分模塊進(jìn)行：

3.1 硬件

以多自由度機(jī)器人為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)載體，采用分級梯式設(shè)計(jì)理念。初級將PC機(jī)納入到控制器的第一順位選擇對象，其擁有的極速運(yùn)行非常有利于多自由度機(jī)器人對于高靈敏度與智能化的運(yùn)動控制要求。基于前期數(shù)據(jù)搜集、整理與分析，精準(zhǔn)地做到人機(jī)交互、優(yōu)化運(yùn)動軌跡和分階段匹配任務(wù)等工作。第二階段通過伺服控制電機(jī)發(fā)出的指令信號，把PC總線與8位單片機(jī)無縫對接，實(shí)現(xiàn)無障礙數(shù)據(jù)交流通訊，將多自由度機(jī)器人的運(yùn)動裝置進(jìn)每部伺服電機(jī)速度和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中去，使指令信號借助伺服電機(jī)放大，有效激活工業(yè)機(jī)器人各組成部件所對應(yīng)的編碼器，確保位置信號實(shí)時以太網(wǎng)精準(zhǔn)地反饋。綜合考慮機(jī)器人硬件系統(tǒng)維護(hù)運(yùn)行的條件，選用主頻1.2赫茲。最大內(nèi)存擴(kuò)展為32G的嵌入式工控機(jī)存儲器，其功能強(qiáng)大而穩(wěn)定性高的中央處理器，足以完全適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人硬件控制的要求。

3.2 軟件

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)，包括PC端工控機(jī)與伺服器控制軟件兩個組成部分。PC端核心模塊采用穩(wěn)定性較高的芯片組與外部存儲接口處理器，為運(yùn)動控制系統(tǒng)的有效操作提供了前提條件。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時，通過模塊間協(xié)議通信來采集工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動信息，根據(jù)運(yùn)動事情發(fā)送信號指令，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人活動方向、活動位置、活動質(zhì)速的實(shí)時監(jiān)測。在數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)中的通信，基本上由TCP協(xié)議管控工業(yè)機(jī)器人各個部分的仿真聯(lián)調(diào)信息交換，均采用C語言編寫指令程序，有利于保證控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性與可遷移性。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制軟件在設(shè)計(jì)用戶界面時，充分利用QMainWindow類圖形模塊來構(gòu)建軟件用戶操作界面的整體框架，最大化實(shí)現(xiàn)各個模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互。首先通過上下位機(jī)通訊模塊的建立與正常運(yùn)轉(zhuǎn)，獲取可控制機(jī)器人操作桿、活動關(guān)節(jié)等各個部分活動的編碼器函數(shù)值，并將運(yùn)動控制信號命令存儲在控制器卡內(nèi)。其次利用信息編輯處理模塊對工業(yè)機(jī)器人命令控制卡析出的信號指令，進(jìn)行代碼管理與檢測。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人操作臂末端停留角度與態(tài)勢，通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解與逆解的運(yùn)算來奠定運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分對工業(yè)機(jī)器人的目的性驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人多自由度的軌跡運(yùn)動規(guī)劃。再次，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，主要用途有三：一是顯示作用，用于用戶查看輸入數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，便于操作，提高工作效率；二是教學(xué)作用，考慮工業(yè)機(jī)器人可能遇到的復(fù)雜作業(yè)情況，模式設(shè)定以后，可借助再現(xiàn)模式復(fù)原操作場景動作；三是管理作用，設(shè)定機(jī)器人主要參數(shù)及界面訪問密碼，針對工業(yè)機(jī)器人的操作態(tài)勢、作業(yè)情況、系統(tǒng)控制狀態(tài)顯示重要信息，便于用戶操作。

3.3 測試

為驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制算法是否科學(xué)合理實(shí)用，對機(jī)器人各組成部件的管控、軟硬件系統(tǒng)的操作運(yùn)行展開測試。多自由度工業(yè)機(jī)器人與復(fù)合控制算法的結(jié)合相對比較理想。在大量的實(shí)驗(yàn)操作過程中，工業(yè)機(jī)器人對運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)出的傳感數(shù)據(jù)與規(guī)劃指令響應(yīng)迅速，動作執(zhí)行精確度較高，反應(yīng)時差基本上處在運(yùn)動控制系統(tǒng)的預(yù)估范圍之內(nèi)，屬于穩(wěn)定形態(tài)的誤差。這也得益于復(fù)合控制算法的優(yōu)勢。再通過基礎(chǔ)運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，對工業(yè)機(jī)器人在實(shí)地作業(yè)時遇到的突發(fā)情況進(jìn)行精準(zhǔn)處理。測試順利完成后，根據(jù)預(yù)演的運(yùn)動控制效果，對運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行必要調(diào)整，將其并入工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制研究的整體規(guī)劃中，圓滿實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

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Research and design of motion control system for industrial robot

Lai Shiwu
（Shenzhen Maxvision Technology Co.，Ltd Shenzhen Guangdong，518040）

Abstract：The industrial robot has the advantages of stable quality，adjustable speed，anti fatigue and other advantages，but also can replace the human to complete the task of higher risk coefficient.It is widely used，not only can improve the production efficiency，but also can improve product quality，reduce production costs，reduce the labor pressure of workers.Motion control system of industrial robot is set electronic，mechanical，computer hardware and software，artificial intelligence sensor a variety of advanced technologies have function personification of the mechanical and electronic device，is also an important research direction in the current industrial production of electromechanical integration technology development.With the rapid development of social economy and information science and technology， the production process is subject to various factors， such as electric，magnetic， etc.，all of which put forward higher requirements to the product parameters of industrial robots.In particular the design plan of the industrial robot must fully reflect the industrial robot motion control system is how to deal with antiinterference and stable performance of the system is maintained，thus ensuring the efficient movement of the industrial robot control.This is also one of the problems faced by the current stage of the development of industrial robot technology.

Keywords：industrial robot；motion control system；model；algorithm； design

作者簡介

賴時伍（1982年10月），男，漢，湖南，高級工程師，碩士， 研究方向：工業(yè)工程。