機器人關鍵控制系統設計

李海軍 石淑妮

作者簡介：李海軍（1982— ），男，甘肅正寧人，講師，學士；研究方向：電氣工程。

*通信作者：石淑妮（1988— ），女，甘肅正寧人，二級教師，本科；研究方向：電氣工程。

摘要：機器人技術是一種綜合了多門學科知識的混合性新技術，涵蓋了機械、電子、電氣、計算機、通信等多門學科。機器人技術作為21世紀最先進的技術之一，它的發展必然會給社會帶來深遠的影響。為了保證機器人正常完成各種工作任務，硬件設施和軟件系統必須相輔相成。機器人控制系統是機器人控制的核心，是決定機器人功能和性能的主要因素，其重要性不言而喻。基于此，文章對機器人關鍵控制系統進行了設計。

關鍵詞：機器人技術；機器人控制；機器人控制系統

中圖分類號：TP18 文獻標志碼：A

0 引言

機器人的發展非常迅速，機器人技術是一種綜合了多門學科知識的混合性新技術，涵蓋了機械、電子、電氣、計算機、通信等多門學科。誕生于20世紀40年代的現代機器人技術，不僅發展速度快，而且應用面廣，主要集中在機械加工生產、科學研究、國防科技、智能制造、無人駕駛、5G技術、航空航天、日常生活等方面。機器人技術對人們的生產生活產生了巨大的影響，掀起了一場技術革命，已經成為生活和生產中不可或缺的生產力，尤其是近幾年機器人技術的快速發展，帶動了人工智能技術的快速崛起，而人工智能技術的廣泛應用，改變了人們傳統的生活方式，推動了社會的進步和發展［1］。

工業機器人控制技術起源于傳統的自動控制技術，機器人由于本身具有獨特的自動控制特性，所以對控制系統提出了新的要求。

1 工業機器人的需求背景

工業機器人經過幾十年的發展，已經在越來越多的領域得到了廣泛應用。在制造業中，尤其在市場占有率高的汽車產業中，生產線上很多工位都已被工業機器人取代，例如毛坯加工、機械加工、焊接、熱處理、噴涂、裝配、檢測及倉庫堆垛等［2］。

隨著工業機器人的發展向縱向延伸，同時智能化水平也越來越高，機器人的應用范圍也在不斷地擴大，例如建筑、農業、采礦、服務、醫療衛生、國防航天等，機器人的種類也越來越多，如建筑機器人、農業機器人、采礦機器人、餐飲機器人、醫療機器人、排爆機器人、無人飛行器、無人艦艇等。隨著 “中國制造2025”戰略的實施，中國制造強國戰略深入推進，工業機器人的應用范圍越來越廣，與人們生活的聯系也越來越緊密，發展前景廣闊。

2 機器人關鍵控制系統

工業機器人一般由硬件設施和軟件系統組成，硬件是骨骼，軟件是肌肉，兩者相輔相成，缺一不可。為了能夠完成相應的工作任務，需要相應的控制系統驅動硬件完成各種工作任務。目前，機器人的關鍵控制系統有3種基本類型：程序控制系統、適應性控制系統、智能控制系統。

2.1 程序控制系統

程序控制系統主要用于第一代“示教再現”機器人，目前市場上大多數工業機器人都屬于這一類型，其結構如圖1所示，主要由控制裝置和操作機兩大部分組成。其中，控制裝置由程序裝置、信息處理器和放大執行裝置組成。控制裝置實現對操作機輸入控制信號的作用，操作機是起到按照控制要求來完成各種操作和運動的作用。

X為輸出參數，指操作機相對應的各個關節的轉動角度或移動的位移值。U為控制信號，指由控制裝置輸出的用于控制操作機的信號。G是X的設定值，是恒定不變的，其輸出值X是變化的，按操作人員設定的時間程序進行相對應的變化，設定值G通過計算確定工業機器人對應的運動軌跡，從而編制相應的控制程序，這是程序控制系統一個最顯著的特征。程序控制系統就是根據程序提前設定的值U對被控制對象的值X進行控制。一般情況下，程序控制系統都是開環系統，但實際上由于加工誤差的存在，一般都需要閉環系統，通過其反饋環節來消除誤差，確保加工工件的精確度。

程序控制系統主要由5部分組成，分別是開關信號、輸入/輸出接口（I/O）、程序控制器、驅動系統和執行機構等。這類系統在間歇性生產過程中的應用較為普遍，如多種自動混合加熱控制的液體就屬此類。

2.2 適應性控制系統

適應性控制系統主要用于第二代“有感覺”的工業機器人，這種類型的機器人裝有不同類型的傳感器（溫度覺傳感器、觸覺傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器等），通過這些不同類型的傳感器分別實時檢測系統內部的狀態和外部環境狀態，根據其檢測的實時狀態而自動進行相應的調整。所以在這種控制系統中，通常情況下不需要提前設定機器人的運動軌跡，系統會自動根據傳感器實時檢測的狀態實現自動控制。

不完全的信息表現為系統和環境信息不完備或其變化規律的不確定。適應控制系統一般采用目的搜索和測試等方法，通過對環境的實時觀察和評價，分析現有的控制質量，通過對有關環境特性，知識的不斷學習和改進，實現對工程師工作過程的模仿，從而實現系統自動對相應的參數進行修正，最終實現改善系統質量的作用。

系統結構如圖2所示。該系統和一般反饋控制系統相比多了一個適應控制回路。適應控制回路是根據系統控制對象的輸入、輸出關系來判別控制對象的特征以及外部干擾，再根據識別結果對反饋控制規律進行校正，以適應外部環境特性的改變。無論是進行識別，還是對控制規律的設計，都可以根據不同的分析結果采用與之相應的方法，最終達到不同組合方式形成不同的適應控制方案的目的。

當系統的環境特性及其變化可以通過某些參數來呈現時，這些參數就可以被識別，并通過反饋控制規律對這些參數的相應變化進行跟蹤。這套系統叫作參數適應控制系統。對于復雜的情況，往往只能用一些籠統的參數指標來體現控制過程的質量，并以質量的優劣作為修正控制規律的基礎，即質量適應控制系統。如果只改變控制器某些參數的方式（如放大倍數），則稱為參數校正系統（參數校正系統）。若利用校正作用直接作用于控制信號的大小，則稱為信號集成系統。

自適應控制系統在船舶駕駛、汽車無人駕駛、飛機駕駛、過程控制等方面都取得了一定的成功，也是今后的一個發展方向。但是，由于現在理論體系還不夠完善，一些技術還沒有被攻克，配套的裝備也達不到相應的設計要求，因此，在完成設計后，還需要通過模擬技術進行最后的測試。

2.3 智能控制系統

智能控制系統是指人工智能控制下的第三代“智能”機器人的系統。與前面兩種控制系統相比而言，智能控制系統是最先進、最完善的控制系統，可以根據外界環境的實時變化，自動實時修正自身結構和參數。智能控制系統結構如圖3所示，智能控制系統具有自動檢測所需新信息的能力，并能通過自身不斷學習和經驗積累修正并完善自身的計劃。該系統是模擬人的智力工作過程，是機器人發展的最高目標。

3 典型控制系統

目前，工業機器人大多采用計算機二級控制，一級為主控級，二級為伺服控制，系統結構如圖4所示［3］。

主控制級一般主要用于接收操作命令、各個關節移動之間的協調、各個設備之間的協調以及工作所需要完成的所有操作等各方面的工作，主要由主控制計算機、顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤、示教盒、傳感器等外圍設備組成，其中主控制計算機是數據處理中心。伺服控制級是由若干個伺服控制系統組成，其核心也是計算機，每個伺服控制系統都對應著一個關節，用來接收主控制級發出的指令。該指令通過伺服控制系統傳送到與之相對應的關節，實現對對應關節的實時控制，確保關節的正常運轉。

該系統的工作過程為：工作人員通過輸入端鍵盤或示教盒給主控制計算機輸入操作指令，主控制計算機接收到來自輸入端的指令后，對其命令進行翻譯解讀，并根據解讀結果完成相應的算術運算和邏輯運算。將運算結果輸出到伺服控制級，作為操作機構的執行信號，控制各關節按照命令進行運動。

3.1 主控制級

主控制級就是工業機器人的神經“中樞”，相當于人的“大腦”，主要由主控制電腦、控制軟件、外圍設備等部分組成。主控制級的主要作用就是建立工作人員和工業機器人之間的信息交互通道，接收工作人員的各種操作指令，反饋工作狀態，完成機器人工作過程的各種算術和邏輯運算，并把主控制級的指令傳送給伺服控制。

3.1.1 主控制電腦

主控制電腦是控制系統的指揮調度機構，主要作用是完成從工作任務、各個運動指令到相對應的關節運動之間需要完成的所有操作以及機器人各個設備之間的協調。主控機要求運算速度快，精度高，存儲容量大，處理中斷能力強。

3.1.2 控制軟件

工業機器人的控制軟件是機器人控制系統的重要組成部分，主要任務是根據機器人的運動軌跡編寫相應的程序，控制機器人按照運動的軌跡進行精準工作。程序一般分為主程序和子程序。

3.1.3 外圍設備

主要的外圍設備有顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤、示教盒、傳感器、操作面板等。

3.2 伺服控制級

伺服控制級由多個伺服控制系統組成，每個伺服控制系統既相對獨立又聯系緊密，它們分別驅動操作機的一個關節。具有位置和速度反饋的伺服控制系統如圖5所示。

3.2.1 伺服驅動器

伺服驅動器通常由伺服電動機、位置傳感器、速度傳感器和制動器4部分組成，伺服電動機的輸出軸和操作機的關節軸直接相連，以實現對相應關節運動的控制以及對關節位置和速度的檢測，在沒有電源的異常緊急情況下，制動器可以自動制動，實現關節的位置保持不變。在正常工作過程中：得電時，電磁鐵線圈通電，摩擦盤將脫開，使關節軸自由轉動；斷電時，摩擦盤在彈簧的作用下壓緊，隨之剎車。

3.2.2 伺服控制器

伺服控制器的基本電路由比較器、運算器和功率放大器等組成。

4 結語

機器人控制是機器人技術的研究熱點，是目前自動化控制技術的一個暴風口，是21世紀高新技術領域的重要前沿技術之一，改變了傳統的工作方式，必將引領未來經濟社會的發展。機器人控制系統作為機器人控制的核心，其重要性不言而喻。目前，機器人控制系統的技術已經有所突破，拓寬了未來機器人的應用范圍，目前已經涵蓋了軍工國防、航空航天、工業生產、農業生產、醫療、教育、服務、生活等各個方面，極具應用價值，一場機器人技術研究的新高潮和發展契機已經來臨。

參考文獻

［1］楊杰忠.工業機器人技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2019.

［2］孫志杰，王善軍，張雪鑫.工業機器人發展現狀與趨勢［J］.吉林工程技術師范學院學報，2017（7）：2.

［3］陳剛.機電一體化技術［M］.北京：清華大學出版社，2017.

（編輯 王雪芬）

Abstract： Robotics is a new hybrid technology， which integrates the knowledge of many subjects. At the same time， robotics covers machinery， electronics， electrical， computer， communication and other disciplines.Since the 21st century， as one of the most advanced technologies in the field of society， the development of robotics is bound to bring a profound and powerful impact on society. In the actual operation process， in order to ensure the normal completion of various tasks of the robot， we must ensure that the hardware facilities and software systems complement each other. The robot control system is the core of robot control and the main factor determining the functionality and performance of robots， and its importance is self-evident. Based on this， the article designs the key control system of the robot.

Key words： robotics; robot control; robot control system