基于多傳感器技術的工業機器人應用研究

李特

黔南民族師范學院，貴州 都勻 558000

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，機器人也在不斷進化，控制機器人的技術也在不斷提高。多年來，工業機器人的形式不斷變化，有固定底座式、輪式移動式、履帶式、多足支撐式等[1]。近年來，多傳感器融合的工業機器人已成為機器人領域的研究熱點。尤其是類人機器人，具有其他類型的工業機器人無法比擬的優勢，易于融入人類日常生活和實際工業生產環境中，輔助人類完成特定任務，實現新時代工業高質量發展。在過去使用的工業機器人集中控制系統中，控制功能高度集中，局部故障可能會導致工業機器人系統的整體故障，降低系統的可靠性和穩定性[2]。多傳感器融合的工業機器人作為機器人的一個重要分支，是一種外觀上具有類人特征的機器人，它是一種具有獨立決策能力的多傳感識別系統，能夠及時準確地應對外部環境的變化，實現穩定操作，并進行人機交互[3]。CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應用于工業領域的總線，具有成本低、可靠性好、結構簡單等特點具有良好的開放性，非常適合構建多傳感器融合的工業機器人的控制系統[4]。

多傳感器融合的工業機器人對其結構和控制系統的要求不同于一般的工業機器人。因為它必須能夠實現靈活準確地操作，這樣它才能隨時有效地完成預先規定的工作。為了提高多傳感器融合的工業機器人的性能，提高其可靠性和穩定性，本文采用基于智能體的分層控制思想構建了多傳感器融合的工業機器人控制系統。多傳感器融合的工業機器人作為一個復雜的多自由度系統，需要有效利用自身的多傳感器技術感知外部環境和自身狀態的變化，并調整自身的運動執行器[5]。因此，對多傳感器融合的工業機器人的控制系統的可靠性和實時性要求較高。多傳感器融合的工業機器人高度模仿生物的形態和動作方式，充分展示了新一代工業機器人的靈活性和智能化。多傳感器技術在工業機器人領域的應用既可以提高工業機器人的數字智能化水平，也能夠促進工業產業和裝備的優化升級，對驅動工業產業高質量發展具有重要意義。

1 多傳感器技術的工業機器人系統與理論介紹

1.1 信息融合理論與方法

現階段，基于多傳感器技術的工業機器人系統的信息融合模型主要是一種建立在XML上的數據信息資源互聯匯聚的中介框架模型，使用中介（封裝器體系結構），其中采用XML描述數據信息資源和映射規則，為最終工業機器人的智能化提供集成的數字化信息源。同時，基于XML數據的SIXP2P系統語義融合模型以及模型驅動的數據融合模型，通過分離數據和元數據來降低數據融合的復雜性，從而有效地解決了基于多傳感器技術的工業機器人的數據集成問題，通過算法模型的構建，提高多傳感器技術下工業機器人的數字智能化水平。

對于基于多傳感器技術的工業機器人的數據信息融合方法層面，目前主流使用的是基于中介的方法。這種方法是通過多傳感器技術下工業機器人的控制系統，將獨立的指令數據轉換為底層數據源支持本地模式運行。其中，基于多傳感器的工業機器人系統借助源數據中的實際數據流支持全局模式的整體協調與融合，實現映射的方式主要由GAV或LAV兩種。當基于多傳感器技術的工業機器人系統融合數據源已知且穩定時，應采用GAV算法；當基于多傳感器技術的工業機器人系統融合數據源規模較大、時效性較強時，應采用LAV算法。

1.2 基于多傳感器技術的信息融合技術

基于多傳感器技術的信息融合是指為集成信息系統的客戶端提供多數據源統一視圖的過程，在基于多傳感器技術的工業機器人系統的信息融合，指的是為集成數據信息系統的機器人端提供更多模式識別化的操作指令。多傳感器技術的信息融合是以數字智能化信息技術為基礎，包括5G通信、云計算和物聯網技術等，利用特定的法則對多個傳感器中的信息和數據進行自動分析和處理，完成一套完整的信息處理。目前，多傳感器系統所包含的信息處理和分析功能已經遠遠超過了人腦對信息的理解能力，人腦是一個非常復雜的系統，它能綜合、分析、處理周圍各種信息并作出反應?；诙鄠鞲衅骷夹g的工業機器人系統也是同樣的概念，只是將信息和數據存在于系統中，達到數字智能化的處理能力。通過多傳感器技術在工業機器人系統方面的充分利用和合理使用，每個多傳感器系統的信息和數據是實時填充在工業機器人操作的時間和空間中，以此增強工業機器人的靈活性和智能化水平，從而提高工業機器人的數字化效率和操作質量。

基于多傳感器技術的工業機器人系統數據層的信息采集通過傳感器協同完成，經過核心處理器的集中分析處理，執行層的自動控制系統根據數據處理結果形成指令，對工業機器人的具體操作進行實時監測控制。同時，通過工業機器人的數據融合技術對多傳感器協同獲取的數據信息融合處理，然后按照合理建立的融合算法模型和方法對數據信息進行處理。多傳感器技術的工業機器人系統的信息融合技術是一種從不同角度對數據信息進行處理和比較。通過綜合各個傳感器獲取的信息，工業機器人系統可以完整、準確、客觀地表征外部環境，且基于多傳感器技術的工業機器人系統的信息融合技術處理的數據信息具有冗余性、互補性和信息獲取成本低的特點。

1.3 多傳感器工業機器人系統的信息融合技術

基于多傳感器技術的工業機器人系統的數據信息融合技術，根據結構劃分為組合模塊、合成模塊、融合模塊以及關聯模塊四部分。其中，組合模塊是基于多傳感器協同的工業機器人系統對于數據處理的第一層模塊，憑借多位傳感器以并行和互補兩種輸出模式，來提升獲取信息的全面性和精準度。多傳感器技術的數據信息融合包括兩個方面，一方面是對傳感器輸出的各種數據進行關聯，并將各個傳感器數據與工業機器人系統內現有的算法模型關聯起來，最后對相關結果進行處理，生成新的數據信息表達式。此外，工業機器人系統通過識別和預測強化學習和記憶，多傳感器協同技術的分布式應用既能夠實現工業機器人獲取信息的準確性和高精度，還能夠根據數據信息融合算力梳理出數據集間的邏輯關系規律、規避錯誤信息，實現實時、準確地判斷與反應。多傳感器技術的數據信息融合的層次化描述存在于各種實際環境中，使這些數據信息成為工業機器人系統中自動控制系統需要處理的模塊化信息，同時完成基于多傳感器技術的工業機器人系統信息數據的融合。

2 多傳感器技術的工業機器人系統設計

2.1 工業機器人的整體結構設計

為了實現多傳感器融合的工業機器人的行走等功能，從機器人機構和控制系統兩個方面對整個系統進行了設計。多傳感器融合的工業機器人整體結構采用框架結構，有利于減輕機器人結構的重量，提高機器人的承載能力，為機器人控制系統的改進提供更多的空間。為了保證多傳感器融合的工業機器人可以離線工作，機器人的供電系統和控制計算機安裝在機體上，工業機器人與監測站之間通過無線局域網實現通信。工業機器人控制系統的功能是根據指令對機構體進行操作和控制，完成操作的各種動作。

2.2 工業機器人控制系統設計

基于多傳感器技術的工業機器人控制器系統的性能在很大程度上決定了工業機器人的性能。工業機器人系統的核心位于控制系統的主控層，根據動力學測算和運動模式規劃，實現智能決策與人機交互模塊的精準執行。同時，依靠豐富的數據信息支撐，主控層能夠實現多傳感器工業機器人的多關節協同操作。因此，通信層對可靠性和實時性有較高的要求。通過獲取陀螺儀、六軸力傳感器和位置傳感器的信息，為整個控制系統提供控制目標。為了保證多傳感器融合的工業機器人可以離線工作，將工業機器人的供電系統和控制計算機安裝在機體上，并通過無線局域網與監測站實現通信?；诙鄠鞲衅骷夹g的工業機器人系統的通信層在控制系統中起橋梁作用。它接收工業機器人系統的主控層發出的控制目標，將其轉換成特定的控制指令發送給執行層。

一個好的控制器應該具有靈活方便的操作方式和多種運動控制方式。由于多傳感器融合的工業機器人是一種高度非線性、強耦合的對象，且存在摩擦、載荷變化等不確定因素，研制精確可靠的控制系統是各研究機構的重要任務之一?；诙鄠鞲衅骷夹g的工業機器人系統的執行層負責多傳感器融合的工業機器人的關節伺服控制和信號采集。此外，導航傳感器收集的工業機器人關節位置定位信息和陀螺儀傳感器檢測的工業機器人姿態信息，經過控制系統集成的反饋信息傳輸到多維力傳感器，實現操作中多角度反作用力的監測。在設計工業機器人時，對工業機器人性能的要求是不同的，尺寸參數也是不同的。對于多傳感器融合的工業機器人來說，末端執行器是頭部作為一個整體，所以對靈活性的要求更高。也就是說在靈活性盡可能好的前提下，選擇速度特性、工作空間、運動幅值和力特性更好的尺寸。

2.3 基于CAN總線的分布式控制系統

在工業機器人研發設計領域，以往采用的工業機器人集中控制系統，控制功能集中，數據傳輸速度快、精度高，但局部故障可能導致工業機器人系統整體故障。隨著計算機技術、控制技術、數字化技術和網絡通信技術的發展，由雙向、串行和多節點現場總線組成的集散控制系統在多傳感器技術的工業機器人控制領域占有重要地位。與傳統的集中式控制系統相比，分布式控制系統具有可靠性高、易于維護、開放性和靈活性等特點，能夠更好地滿足多傳感器融合的工業機器人運動控制的要求。依靠工業機器人主控系統強大的算力，CPU合理優化分配線程規劃，降低線程的占用，實現線程間的瞬時轉換。同時，為降低多傳感器協同技術的工業機器人系統CAN模塊的資源消耗，利用線程共享規劃進程的虛擬地址空間，以并行執行狀態訪問資源，有效提高程序的運行效率。多傳感器融合的工業機器人是一種典型的復雜智能系統，由于感知理論和技術的限制，目前完全自主的多傳感器技術的工業機器人系統是主要科研設計方向。

多傳感器融合的工業機器人的關節控制器采用嵌入式設計，具有電機伺服控制、實現給定運動、執行反饋給上位機、故障檢測、報警和處理等功能。每個Agent是獨立的，由一個關節控制器、幾個關節驅動器和相應的傳感器組成。基于多傳感器技術的工業機器人系統的語音視覺系統、遠程監控系統和任務管理系統之間的通信采用有線和無線混合局域網。同時，基于多傳感器技術的工業機器人的關節控制器接收上位機發送的位置信息，通過電機編碼器提供的位置反饋信息生成控制量，再通過伺服放大器驅動關節電機形成完整的閉環控制回路，協調執行層主要負責工業機器人關節的伺服控制。

3 多傳感器融合的工業機器人執行層控制系統設計

3.1 基于多傳感器技術的工業機器人混合控制結構

從基于多傳感器技術的工業機器人的整體結構來看，多維傳感器在多傳感器融合的工業機器人中的作用是讀取工業機器人的實時信息數據，對其進行分析和處理，然后將得到的信息返回給工業機器人系統的主控制器?；诙鄠鞲衅骷夹g的工業機器人的主控制器將接收到的數據信息修正為原始步態規劃數據，使多傳感器融合的工業機器人能夠按照預先設定的步態規劃平穩操作。基于多傳感器技術的工業機器人應該具有處理緊急情況的能力，如發生異常，多傳感器技術的工業機器人應根據實際情況進行處理。多傳感器融合的工業機器人是一種典型的復雜智能系統。

3.2 多傳感器技術的工業機器人集中控制系統

目前，工業機器人的集中控制系統是指機器人處理器根據系統的整體情況進行決策處理和統一調度。該工業機器人的控制系統具有硬件成本低、整體協調性好等優點，但當系統任務增加時，處理能力不足，運行效率降低，相互的信號干擾會增加系統故障率。基于多傳感器技術的工業機器人之所以能在已知或未知環境中完成一定的操作功能，是因為它可以通過傳感器感知外部環境和內部狀態的信息，獲取反饋信息，實現對工業機器人系統的閉環控制。主控模塊首先離線生成機器人各關節的運動序列，通過通信模塊將全局信息和關節信息與底層控制器模塊進行交互，并根據一定的操作規劃算法和任務要求在線調整多傳感器融合的工業機器人的操作運動軌跡。因此，基于多傳感器技術的工業機器人的集中控制系統，具有更高的數字智能化水平，對數據信息的處理能力更強，操作更靈活精準，能夠有效提高操作效率和質量。

4 結語

由于未知的生產因素和周圍環境影響，基于多傳感器技術的工業機器人在運動或操作時需要收集和識別大量的環境信息，及時作出決策，并通知執行機構進行下一步工作。為了保證多傳感器融合的工業機器人的穩定操作，需要保證工業機器人控制系統的實時性，不僅要縮短控制周期，還要保證固定的時間間隔。此外，為了保證對環境的強適應性，基于多傳感器技術的工業機器人必須能夠同時處理各種復雜的任務，在有限的時間內必須對實時控制任務作出響應。為了實現工業機器人的高性能控制，基于多傳感器技術的工業機器人控制系統應該體積小、集成度高，盡可能減少硬件和設備連接的數量，并使規模盡可能簡單。同時，工業機器人必須能夠及時對外部環境的變化做出響應，并且必須擁有快速的中斷響應時間。這些都是由多傳感器技術工業機器人的實時多任務操作系統來保證，因此多傳感器融合的工業機器人的運動控制必須基于實時系統的控制平臺。