工業機器人運動控制系統的研究與設計

賴時伍（深圳市盛視科技有限公司，廣東深圳，518040）

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工業機器人運動控制系統的研究與設計

賴時伍
（深圳市盛視科技有限公司，廣東深圳，518040）

摘要：工業機器人具有質量穩定、速度可調節、抗疲勞等優勢，還能替代人類完成危險系數較高的工作任務。它的廣泛使用，不但可以提高生產效率，還能夠提高產品質量，同時降低生產成本，減輕了工人的勞動壓力。工業機器人的運動控制系統是集合電子、機械、計算機軟硬件、人工智能傳感器等多種先進技術的具備擬人功能的機械電子裝置，也是目前工業生產機電一體化技術發展的重要研究方向。社會經濟與信息科學技術的迅速發展，生產過程中受到電、磁等多種因素干擾，均對工業機器人的產品參數提出了更高的要求。尤其是工業機器人的設計方案，必須要充分體現工業機器人運動控制系統是如何處理抗干擾與保持系統性能穩定，進而確保工業機器人的高效運動控制。這也是當前工業機器人技術發展攻堅階段所面臨的難題之一。

關鍵詞：工業機器人；運動控制系統；模型；算法；設計

工業機器人以其高效率、多功能、可替代人類從事高危工作、多自由度操作、質量穩定等優勢，被工業、醫療等行業廣泛采用。就工業實踐應用而言，運動控制系統是工業機器人的關鍵組成。如果在設計階段無法獲得建模對象的完整且準確的信息，勢必會影響工業機器人生產過程中控制算法的選擇，很有可能導致運動控制模型建立的失敗。

1 工業機器人的組成與運動控制模型的建立

工業機器人的組成相當復雜，包括硬件和軟件兩類部件。

硬件共有機械手、控制器、驅動器、末端執行器、傳感器五個部分。機械手，又稱操作臂，由連桿、活動關節與其他部件共同構成的機器人主體部分；控制器，機器人發出信號、操縱執行機構完成指令內容并反饋信息的裝置部分。一般通過MCU、DSP等微控芯片聯合外圍設備，創新控制算法編程來達到對機械手的精準操作；驅動器，是機器人的主要動能部分。接收控制器傳遞的信號，再根據信號操作機器人的運動，常見類型有伺服電機、氣缸及液壓缸等；末端執行器，是機器人關節的最后連接部分，屬直接用于操作的功能性部件；傳感器，裝置于機器人內部，接收外部信息，控制機器人行動，也同外界溝通。

軟件包含控制算法程序、人機交互界面、集合的應用子程序以及工業機器人專用的接口程序。

2 工業機器人控制算法的結構類型

就國內現有的工業機器人運動控制系統而言，擴展性達不到，無法滿足工業生產對機器人運動控制系統的高通用度的需求。為動態穩定地實現工業機器人的運動控制，擴大工業機器人運動控制系統的應用范圍，需要對工業機器人采用較多的控制算法的結構類型作簡要梳理。

迭代控制算法。有開閉環迭代控制算法、高階迭代、具有遺忘因子的迭代、濾波型迭代、前饋—反饋迭代和最優迭代控制算法。為保證運動控制系統的收斂性，需要在迭代控制算法中找到效益更好的矩陣。這要求技術研發人員不斷豐富模型知識，具體操作起來工作量過大，計算不便，且容易形成對數學模型分析的過度依賴。工業機器人對于運動控制系統的收斂速度與精準度要求嚴格，尤其是在完成軌跡跟蹤等強耦合非線性環境下的工程作業。因此，有研究提出了系統的反饋輔助型的帶變增益迭代控制算法，通過具體課題項目中的實驗性研究，數據推演，得出了該控制算法的收斂性條件，雖然實驗條件有限、研究不夠成熟，但仍然對工業機器人運動控制系統的研究具有一定可操作性的實際應用價值。

復合控制算法。結合了傳統控制算法和現代控制算法，亦稱之為神經網絡—PID復合控制技術，通過PC端對收集到的采樣數據進行分析處理，在神經網絡內實現優化，以穩定性和動態性雙重檢驗標準來保證工業機器人對于伺服速度與準確性的訴求。

3 工業機器人運動控制系統的設計方案

在進行工業機器人運動控制系統具體方案設計時，基本依從以下步驟分模塊進行：

3.1 硬件

以多自由度機器人為工業機器人運動控制系統硬件的設計載體，采用分級梯式設計理念。初級將PC機納入到控制器的第一順位選擇對象，其擁有的極速運行非常有利于多自由度機器人對于高靈敏度與智能化的運動控制要求。基于前期數據搜集、整理與分析，精準地做到人機交互、優化運動軌跡和分階段匹配任務等工作。第二階段通過伺服控制電機發出的指令信號，把PC總線與8位單片機無縫對接，實現無障礙數據交流通訊，將多自由度機器人的運動裝置進每部伺服電機速度和雙閉環控制系統中去，使指令信號借助伺服電機放大，有效激活工業機器人各組成部件所對應的編碼器，確保位置信號實時以太網精準地反饋。綜合考慮機器人硬件系統維護運行的條件，選用主頻1.2赫茲。最大內存擴展為32G的嵌入式工控機存儲器，其功能強大而穩定性高的中央處理器，足以完全適應工業機器人硬件控制的要求。

3.2 軟件

工業機器人運動控制系統的軟件程序設計，包括PC端工控機與伺服器控制軟件兩個組成部分。PC端核心模塊采用穩定性較高的芯片組與外部存儲接口處理器，為運動控制系統的有效操作提供了前提條件。工業機器人進行作業時，通過模塊間協議通信來采集工業機器人的運動信息，根據運動事情發送信號指令，實現對工業機器人活動方向、活動位置、活動質速的實時監測。在數字信息網絡中的通信，基本上由TCP協議管控工業機器人各個部分的仿真聯調信息交換，均采用C語言編寫指令程序，有利于保證控制系統的擴展性與可遷移性。工業機器人運動控制軟件在設計用戶界面時，充分利用QMainWindow類圖形模塊來構建軟件用戶操作界面的整體框架，最大化實現各個模塊之間的數據信息交互。首先通過上下位機通訊模塊的建立與正常運轉，獲取可控制機器人操作桿、活動關節等各個部分活動的編碼器函數值，并將運動控制信號命令存儲在控制器卡內。其次利用信息編輯處理模塊對工業機器人命令控制卡析出的信號指令，進行代碼管理與檢測。根據工業機器人操作臂末端停留角度與態勢，通過機器人運動學正解與逆解的運算來奠定運動控制系統軟件設計部分對工業機器人的目的性驗證，從而實現工業機器人多自由度的軌跡運動規劃。再次，工業機器人運動控制系統的人機交互設計，主要用途有三：一是顯示作用，用于用戶查看輸入數據及顯示數據的動態更新，便于操作，提高工作效率；二是教學作用，考慮工業機器人可能遇到的復雜作業情況，模式設定以后，可借助再現模式復原操作場景動作；三是管理作用，設定機器人主要參數及界面訪問密碼，針對工業機器人的操作態勢、作業情況、系統控制狀態顯示重要信息，便于用戶操作。

3.3 測試

為驗證工業機器人運動控制系統的控制算法是否科學合理實用，對機器人各組成部件的管控、軟硬件系統的操作運行展開測試。多自由度工業機器人與復合控制算法的結合相對比較理想。在大量的實驗操作過程中，工業機器人對運動控制系統發出的傳感數據與規劃指令響應迅速，動作執行精確度較高，反應時差基本上處在運動控制系統的預估范圍之內，屬于穩定形態的誤差。這也得益于復合控制算法的優勢。再通過基礎運動控制系統進行數據輸出，對工業機器人在實地作業時遇到的突發情況進行精準處理。測試順利完成后，根據預演的運動控制效果，對運動控制系統進行必要調整，將其并入工業機器人運動控制研究的整體規劃中，圓滿實現設計效果。

參考文獻

［1］丁度坤.工業機器人智能運動控制方法的分析與研究［D］.華南理工大學，2010.

［2］鐘新華，蔡自興，鄒小兵.移動機器人運動控制系統設計及控制算法研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2004，（S1）：133-136.

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：工業工程。