基于工業機器人技術在自動化控制中的實踐分析

閔 超

（湖北國土資源職業學院，湖北 武漢 430090）

0 引言

我國工業技術和人工智能技術飛速發展，推動了工業生產智能化和自動化進程，目前工業機器人技術在工業生產自動化控制過程中應用極為廣泛[1]，如產品自動包裝、物流分揀運輸、元件焊接、繪畫噴涂等多個領域均應用工業機器人完成大部分工作內容，因此工業機器人技術在自動化控制領域發揮著舉足輕重的作用。就目前來看，工業機器人技術雖然在不同自動化控制領域應用較為廣泛[2]，但當前并沒有詳盡的工業機器人技術在自動化控制領域中的實踐研究，為呈現工業機器人技術在自動化控制領域中的應用效果，本文從焊接工業機器人角度入手，對工業機器人技術在自動化控制中的實踐展開詳盡分析。

1 工業機器人技術在自動化控制中的實踐

工業機器人分為多種類型，本文以焊接領域的工業機器人技術作為研究視角，分析該工業機器人技術在自動化控制中的實踐。

1.1 焊接工業機器人技術的起始點識別與定位方法

焊接工業機器人負責焊接不同類型電子元件、設備等，其代替人工焊接后，不僅可提升焊接效率還可提升焊接質量。但焊接工業機器人在工作過程中[3]，受機械定位誤差和替換焊絲影響，其焊槍與焊縫之間會存在誤差，導致焊接工業機器人技術在自動化控制過程中應用效果不佳。在此利用工業CCD 相機拍攝焊點圖像，利用圖像處理技術識別焊槍焊接起始點并定位，保障焊接工業機器人焊槍對準焊縫起點。給出焊接工業機器人技術系統結構，如圖1 所示。

圖1 焊接工業機器人技術系統結構

在焊接工業機器人技術系統結構內，利用工業CCD 相機采集焊接機器人焊接起始點圖像，利用圖像識別技術得到焊接機器人焊槍位置，在理想狀態下[4]，焊槍起始點位置是規則圓形區域，該圓形的圓形即為焊槍位置，但在焊接工業機器人實際運行過程中，受焊接機器人動力系統以及焊接電流、電壓等因素影響，焊縫起點位置圓形呈現不規則狀態。為使焊接機器人焊接起始點位置更加清晰[5]，先對焊接起始點圖像進行線性灰度變換，提升焊接起始點圖像亮度，使圖像內焊接起始點區域更加清晰。

令y表示線性灰度變換后的焊接起始點圖像灰度，x表示焊接起始點圖像初始灰度值，則焊接起始點圖像線性灰度變換表達公式如下：

式中，a、b表示預先設置的線性變換灰度閾值。通過調節該閾值，即可提升焊接起始點圖像亮度。

以線性灰度變換后的焊接起始點圖像為基礎，利用Prewitt 算子去除焊接起始點圖像內干擾噪聲和獲取其邊緣，則焊接起始點圖像內x和y方向的Prewitt算子表達公式如下：

式中，Sx、Sy分別表示焊接起始點圖像內x和y方向的Prewitt 算子。利用該公式可去除焊接起始點圖像內干擾噪聲。

令f[i，j]表示焊接起始點圖像邊緣位置，其表達公式如下：

式中，UT表示焊接起始點圖像邊緣位置灰度閾值；Ux、Uy分別表示行和列的灰度值；i、j表示焊接起始點圖像邊緣位置像素點。通過調節行和列的灰度值可保留較長且有效的焊接起始點圖像邊緣。

提取到焊接起始點圖像邊緣位置后[6]，采用霍夫變換方法提取焊接起始點的圓形感興趣區域，該圓形感興趣區域的中心即為焊接工業機器人技術的起始點識別與定位結果。令r表示焊接起始點圖像圓形感興趣區域半徑，其圓心坐標由（m，n）表示，則該焊接起始點圖像圓形感興趣區域在參數空間內表達公式如下：

式中，（xi - yi）表示焊接起始點圖像邊緣坐標。

以公式（5）結果為基礎，利用霍夫變換算法，在參數空間內建立三維累加數組，該數組由A（m，n，r）表示，按照焊接起始點圖像數據點計算累加數組的累加和后，將數值最大三維數組的作為焊接起始點圓形區域，該區域圓心為焊接點定位點。

1.2 工業焊接機器人焊縫跟蹤控制方法

工業焊接機器人運動機構由兩個驅動電機組成，共有2 個輪，前輪為輔助輪后輪為驅動輪，驅動電機可驅動焊槍向上下、左右移動。令AXY表示工業焊接機器人的全局坐標系，BX1Y1為工業焊接機器人的移動坐標系，由于焊接機器人在跟蹤焊縫時，其焊縫為橫向，需要將工業焊接機器人移動坐標系轉換為全局坐標系，即可得到焊槍在全局坐標系內的位置姿態，其表達公式如下：

式中，W表示焊槍位置；B為移動坐標系原點；γ表示工業焊接機器人全局坐標系與移動坐標系原點夾角；z1、z2、z3分別表示滑塊到X、Y、Z三個方向的距離。

對工業焊接機器人坐標轉換完成后，建立與焊接機器人的動力學模型，其表達公式如下：

式中，g表示焊接機器人狀態向量；M（g）表示慣性矩陣；和分別表示g的一階微分和二階微分變量；Vm表示與焊接機器人速度相關的向心力項；F（）表示動靜摩擦項；τd表示未知擾動；A（q）表示約束項。

以公式（6）和（7）結果為基礎，設計滑膜變結構控制器，利用該控制器控制焊接機器人按照既定焊縫進行跟蹤。定義滑膜變結構控制器控制切換函數如下：

式中，Lm表示滑膜變結構控制器控制切換函數；e表示焊縫跟蹤偏差為焊縫跟蹤偏差一階微分變量；c0表示滑膜變結構控制器的負實部。

以公式（8）結果為基礎，建立滑膜變結構控制器控制切換函數的控制函數，表達公式如下：

式中，v表示滑膜變結構控制器控制切換函數的控制量表示不確定項控制；ζ表示時變控制增益；sgn 為階躍函數。

當工業焊接機器人全部狀態量為已知時，可利用連續化函數替換符號函數，則其焊縫跟蹤的變結構控制器表達公式如下：

式中，γ表示焊縫跟蹤的變結構控制器；δ表示連續化參數；A-1表示約束矩陣的逆矩陣；H表示解耦矩陣。利用公式（10）即可實現工業焊接機器人焊縫跟蹤。

經過工業機器人技術，即可實現工業焊接機器人在自動化控制中的應用。

2 實驗分析

以某型號工業焊接機器人作為實驗對象，該工業焊接機器人最大運動半徑為1 736 mm，額定負載為30 kg，重復精度可達到±0.06 mm。為驗證本研究的方法控制焊接機器人焊縫跟蹤能力，設置了5 個焊縫點位，應用本文方法控制焊接機器人跟蹤焊縫，分析跟蹤點位和實際點位之間的偏差值，結果見表1。

表1 制焊接機器人焊縫跟蹤結果

分析表1 可知，本方法應用后，該焊接機器人在跟蹤焊縫點位是僅在編碼為2 的焊縫X軸方向上的跟蹤值與實際值存在偏差，但偏差數值僅為0.01 mm，該數值較小位于焊縫跟蹤允許偏差內。上述結果說明：工業機器人技術應用后，可有效控制焊接機器人跟蹤焊縫，焊接效果較好，具備較為顯著的應用效果。

3 結語

從工業焊接機器人角度對工業機器人技術在自動化控制中的應用進行了實踐分析，實踐分析結果表明應用工業機器人技術可有效控制工業機器人在其應用領域的使用，有效提升了其領域應用效果。未來可將工業機器人技術更多應用在自動化控制中，為工業發展提供一定的支撐。