基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

劉大龍

（廣州華商職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院， 廣東 增城511300）

0 引 言

機器人技術(shù)是電氣與電子工程學(xué)、計算機科學(xué)、生物學(xué)、機械工程學(xué)等眾多學(xué)科交叉性高的新興科技。 工業(yè)機器人憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、易于操作以及功能強大等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機械化生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域，具有一定的產(chǎn)業(yè)價值。 工業(yè)機器人的出現(xiàn)推動了工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)代化的發(fā)展，并逐漸成為工業(yè)控制當(dāng)中不可被取代的重要裝備［1］。 社會需求的不斷擴大，使得生產(chǎn)力得到了快速的發(fā)展，對于勞動力的需要也逐漸增加，其中以重復(fù)勞動的分量尤為突出，而機器人的出現(xiàn)完美的解決了這一問題。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，機器人的使用已經(jīng)形成了一定的數(shù)量和規(guī)模，但工業(yè)機器人的自主研發(fā)能力和應(yīng)用水平仍然未達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)［2］。 本文針對上述問題，提出一種基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)聚類對海量數(shù)據(jù)的均勻遍歷特性對初始值及噪聲進行調(diào)試，有效提高數(shù)據(jù)的聚類性能，并具備計算量小、實時性高的優(yōu)勢，提高了對工業(yè)機器人的控制能力。

1 基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)為基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，并為軟件部分提供工作平臺，圖1 為本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the hardware structure of the industrial robot control system

本文工業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要選用兩級計算機結(jié)構(gòu)的形式完成對工業(yè)機器人的控制，這種結(jié)構(gòu)形式具有完成更加復(fù)雜、精細的工業(yè)任務(wù)的能力［3］。從圖1 可以看出，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的頂層利用了工業(yè)控制計算機作為系統(tǒng)的上位機結(jié)構(gòu)，工業(yè)控制計算機具有更加可靠、豐富的接口，當(dāng)需要對下位機進行更換時，只需要將所需下位機按照適當(dāng)?shù)慕涌谶B接即可。 對于工業(yè)機器人的軌跡處理，選用大數(shù)據(jù)聚類的方法完成，因此需要上位機具備對海量數(shù)據(jù)的存儲和快速運算能力［4］。 工業(yè)控制計算機選用當(dāng)前主流的操作系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上安裝相應(yīng)的軟件工具，為工業(yè)機器人控制系統(tǒng)提供更加廣闊的軟件開發(fā)環(huán)境。 下面針對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中的運動控制卡、機器人關(guān)節(jié)伺服電機和驅(qū)動器的選擇進行詳細的說明。

1.1 運動控制卡

利用運動控制卡將工業(yè)控制計算機與伺服驅(qū)動電機和驅(qū)動器相連，針對工業(yè)機器人大多擁有多個自由度的需要，在系統(tǒng)中增加多個伺服電機分別用于控制工業(yè)機器人的各個關(guān)節(jié)操作。 選擇DMC-3247 多軸運動控制卡即可滿足上述需要［5］。 DMC-3247 多軸運動控制卡為半封裝的微型計算機專用控制卡，具備CAT 總線控制，可控制1-32 軸總線型伺服和步進，支持工業(yè)機器人回原點、單軸定長變速變位、連續(xù)運動、PVT 運動和插補運動等。 其輔助功能更加豐富，包括IO 計數(shù)、高速鎖存、位置比較、手輪運動等。 DMC-3247 多軸運動控制卡與其他型號控制卡相比具有成本更低，接線更加簡單，擴展性強，級聯(lián)控制簡單等優(yōu)勢。

DMC-3247 多軸運動控制卡與機器人關(guān)節(jié)伺服電機直接連接，兩者之間必須精準(zhǔn)連接才能保證上層軟件對共軛機器人的可靠性和穩(wěn)定性控制。DMC-3247 多軸運動控制卡上包含編號1 ～15 號共計15 個引腳，引腳與驅(qū)動器上的控制信號成對應(yīng)關(guān)系，其中1～8 號引腳與雙絞線位置反饋信號連接；9～12 號引腳與位置指令信號連接；13 ～15 號引腳與使能信號連接。 通過工業(yè)控制計算機控制DMC-3247 多軸運動控制卡可分為兩種形式，分別是利用指令集的形式和利用應(yīng)用程序編程接口的形式［6］。DMC-3247 多軸運動控制卡中提供的指令集包含了超過200 條的指令信息，這些指令信息分別用于指定工業(yè)機器人各種具體的運動和參數(shù)。 其中部分指令可以完成工業(yè)機器人的初始化動作、對機器人的動態(tài)查詢等功能，同時配備相應(yīng)的數(shù)字濾波器。 指令信息可以通過信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼或二進制方式發(fā)送。 在使用信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼時，指令信息的使用更加簡單。 每個指令信息包含兩個大寫的對應(yīng)各項功能的字母組成，通過信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，將指令實時傳輸?shù)紻MC-3247 多軸運動控制卡中，并通過控制卡立即執(zhí)行相應(yīng)的動作。

1.2 機器人關(guān)節(jié)伺服電機和驅(qū)動器

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置可選用電氣、液壓和氣動三種形式。 電氣驅(qū)動的效率、精準(zhǔn)度以及對各類功能的完成情況更優(yōu)，因此選用電氣形式的機器人關(guān)節(jié)伺服電機和驅(qū)動器［7］。 工業(yè)機器人的各個關(guān)節(jié)的伺服電機都是將永磁鐵作為轉(zhuǎn)子，通過改變磁場的方向完成機器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。 本文提出的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中選用的伺服電機和驅(qū)動器為NICBI 系列的驅(qū)動設(shè)備，NICBI 系列的驅(qū)動器具備對轉(zhuǎn)矩、位置和速度等多種不同的控制方法，根據(jù)工業(yè)機器人的運行需要，將NICBI 系列的驅(qū)動器設(shè)置為位置控制的工作模式［8］。 對于來自DMC-3247 多軸運動控制卡的指令信息，NICBI 系列驅(qū)動器可以更加快速地按照相應(yīng)的指令精準(zhǔn)地完成驅(qū)動，對增益效果進行自動的調(diào)整，從而讓伺服電機在最大程度上按照指令信息運轉(zhuǎn)。 圖2 為NICBI 系列伺服電機和驅(qū)動器與多軸運動控制卡的連線圖。

圖2 伺服電機、驅(qū)動器與多軸運動控制卡連線圖Fig. 2 Wiring diagram of servo motor， driver and multi-axis motion control card

NICBI 系列伺服電機中配備了光電編碼裝置，并與電機同時連接到伺服驅(qū)動器的相應(yīng)接口上，當(dāng)工業(yè)控制計算機發(fā)出控制指令給伺服電機和驅(qū)動器相連的多軸運動控制卡時，可以獲取到伺服電機轉(zhuǎn)動的相應(yīng)位置，從而形成閉環(huán)。 受到工業(yè)機器人本體的體積及工作空間的限制，在機器人的交流伺服驅(qū)動裝置中，伺服電機、減速裝置、伺服驅(qū)動器等和其他外部電氣部件之間應(yīng)進行合理的布局［9］。 將帶動工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的調(diào)控伺服電機和減速裝置直接放置在機器人的機械臂當(dāng)中。 驅(qū)動器的調(diào)控對象為機器人關(guān)節(jié)伺服電機，其正常運行需要外部其他電氣部件，例如：電磁接觸裝置、噪音濾波裝置等。 考慮到這些電氣部件相互之間的干擾，在完成驅(qū)動器和伺服電機的組裝后，還需要進行輻射噪音以及噪音端子電壓的檢測，從而保證工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件部分符合電磁兼容性檢測認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于大數(shù)據(jù)聚類的線性調(diào)頻控制信號擬合

首先建立控制系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)模糊控制的概念，對控制系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)模糊控制進行了研究，建立了控制系統(tǒng)中海量控制數(shù)據(jù)的有限數(shù)據(jù)集為：Y ＝ {y1，y2，…，yn}?R 其中，Y 表示有限數(shù)據(jù)集合；n 表示控制系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)模型中包含的樣本個數(shù)；R 表示任意范數(shù)下的大數(shù)據(jù)聚類矢量空間。 當(dāng)有限數(shù)據(jù)集合Y 的聚類信道擬合因子為0 時，此時滿足公式（1）：

式中，ρ 表示聚類信道擬合因子；h 表示大數(shù)據(jù)聚類的迭代次數(shù)；sgn 表示符號函數(shù)。 在控制系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)中，存在一個模糊控制迭代函數(shù)，同時函數(shù)可使數(shù)據(jù)的聚類中心得到收斂。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于聚類中心初始值未知的狀態(tài)時，控制系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)會對控制數(shù)據(jù)進行非線性時變的線性調(diào)頻控制信號模擬，從而為基礎(chǔ)特征提取提供幫助，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化聚類。

再利用模糊控制和工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的擬合思想，將控制系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)信息流的線性調(diào)頻信號擬合處理，結(jié)合大數(shù)據(jù)聚類算法，控制系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)信息特征點計算，公式為：

式中，X（a，b） 表示特征點函數(shù)；△a 和△b 表示控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)信息流的二維特征位移； （ai，bi） 表示線性調(diào)頻特征。 根據(jù)公式（2），完成對控制系統(tǒng)中線性調(diào)頻控制信號的擬合。

2.2 工業(yè)機器人控制軌跡規(guī)劃

完成對控制信號的擬合后，利用DMC-3247 多軸運動控制卡為指令控制信號提供的運行形式，完成圖片傳輸定位控制、電子齒輪控制、輪廓控制以及位置跟蹤控制等。 利用輪廓控制方式，用戶可以在多軸之內(nèi)的任意定義曲線上，通過設(shè)置直線、曲線、拋物線等，對正在生產(chǎn)階段的工業(yè)機器人規(guī)劃軌跡。例如，指令控制信號為CE1 表示指定工業(yè)機器人各軸的運動時間間隔為2（21）ms；指令控制信號CE2表示指定工業(yè)機器人各軸的運動時間間隔為4（22）ms；指令控制信號WD 表示指定工業(yè)機器人等待輪廓方式完成；指令控制信號DP100，200，-100，-200表示指定工業(yè)機器人各軸的第一個位置增量；DP200，100，300，400 表示指定工業(yè)機器人各軸的第二個位置增量等。 當(dāng)DMC-3247 多軸運動控制卡接收到這些指令控制信號后，根據(jù)指令要求生成對應(yīng)的運行軌跡，并通過協(xié)調(diào)控制完成對各個軸點之間的直線插補。 以工業(yè)機器人的A 軸為例，直線插補的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 工業(yè)機器人輪廓模式軌跡曲線圖Fig. 3 Contour pattern of industrial robot

由圖3 中的各項數(shù)據(jù)可以看出，在4 ms 時的位置 值 為 100 counts， 在 12 ms 時 的 位 置 值 為500 counts，在28 ms 時的位置值為600 counts。 通過各項數(shù)據(jù)比較可以看出，只有當(dāng)插補的時間控制在盡可能短的時間之內(nèi)，才能夠更加有效地完成對工業(yè)機器人各項生產(chǎn)運行模式的自定義。 在本文的控制系統(tǒng)當(dāng)中，整體的軌跡規(guī)劃可在工業(yè)控制計算機上完成，在DMC-3247 多軸運動控制卡上運用輪廓方式協(xié)調(diào)并控制工業(yè)機器人各個軸點的運動。 具體的規(guī)劃流程為：

步驟1 利用插補軌跡算法構(gòu)建軌跡數(shù)學(xué)方程，通過計算得出下一個插補點的具體位置坐標(biāo)；

步驟2 利用運動學(xué)逆向求解，得出插補點坐標(biāo)上各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，并得到工業(yè)機器人關(guān)節(jié)插補點的位置以及與上一插補點之間存在的角度偏差。

步驟3 計算工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)的增量值，并將增量值寫入dms 格式的文件當(dāng)中。

步驟4 判斷插補是否結(jié)束，若未完成相應(yīng)的插補操作，則重新返回到步驟2，若完成插補操作，則將dms 格式文件載入到DMC-3247 多軸運動控制卡中，并執(zhí)行dms 格式文件中相應(yīng)的指令控制信號，完成工業(yè)機器人運行軌跡規(guī)劃。

2.3 工業(yè)機器人控制示教

實現(xiàn)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)對機器人的運行控制采用示教再現(xiàn)的方式。 首先利用示教方式完成工業(yè)機器人生產(chǎn)作業(yè)的整個過程，并在過程中生成工業(yè)機器人生產(chǎn)作業(yè)文件。 作業(yè)文件是通過一條以機器人控制編程語言和控制數(shù)據(jù)為核心的控制語句，在每條控制語句中都包含各項控制指令的信號和相應(yīng)的參數(shù)信息。 本文選用的工業(yè)機器人編程語言有三種，分別為決策類、協(xié)調(diào)類和執(zhí)行類，其中執(zhí)行類的智能程度最高、智能程度最低，屬于動作類語言的一種，利用特定的指令描述工業(yè)機器人的各項行為動作；協(xié)調(diào)類語言利用結(jié)構(gòu)化的編程語言，對工業(yè)機器人的運行狀態(tài)進行控制；決策類語言用于給定工業(yè)機器人特定的作業(yè)，自動化的生成目的程序。 同時，本文控制系統(tǒng)還根據(jù)執(zhí)行類語言將工業(yè)生產(chǎn)中基本規(guī)范行為轉(zhuǎn)化為特定的指令，從而形成除決策類、協(xié)調(diào)類和執(zhí)行類之外的針對本文工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的作業(yè)指令信號集。 在作業(yè)指令信號集中，包含了對工業(yè)機器人的運動指令信號、輸入和輸出指令信號、計算指令信號、控制指令信號以及其他眾多指令信號。 運動指令信號包括前進、后退、旋轉(zhuǎn)、平移等；計算指令信號包括簡單的加法、減法、乘法、除法；控制指令信號包括等待、呼叫、跳轉(zhuǎn)等。 其中，運動指令信號的完成涉及到直線、弧線以及上文提出的軌跡規(guī)劃，從而實現(xiàn)本文控制系統(tǒng)中示教再現(xiàn)與軌跡規(guī)劃的結(jié)合，將控制系統(tǒng)整合，提高系統(tǒng)性能。

示教界面選擇了由QtCompany 開發(fā)的跨平臺C圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，界面上增加了工業(yè)機器人軸操作按鈕、速度控制按鈕和示教坐標(biāo)空間選擇按鈕，并在其中加入本文提出的工業(yè)機器人作業(yè)指令信號集，當(dāng)用戶選擇指令信號集中時，相關(guān)界面窗口自動隱藏或顯示［10］。 再現(xiàn)模塊選用另一個Qt Company 開發(fā)的跨平臺C++應(yīng)用程序開發(fā)框架，并在對話框當(dāng)中調(diào)入通過示教過程已經(jīng)生成的示教作業(yè)文件，將其譯碼，從而使其適用于DMC-3247 多軸運動控制卡中的相關(guān)語句，當(dāng)設(shè)置好全部的運行次數(shù)等參數(shù)后，開始工業(yè)機器人運行，并再現(xiàn)機器人的作業(yè)任務(wù)。

3 實驗論證分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

利用仿真實驗軟件設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，得到兩個規(guī)模、運行方式完全相同的工業(yè)機器人，其中一臺工業(yè)機器人中增加本文提出的基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，并將其設(shè)置為實驗組。 另一臺工業(yè)機器人中增加傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)，并將其設(shè)置為對照組。 在保證兩組實驗對象的各項硬件設(shè)備無故障的情況下，對兩組實驗對象的軟件系統(tǒng)部分進行仿真實驗。 為保證實驗的公平性，同時考慮到傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的上位機為計算機，將實驗組的控制系統(tǒng)上位機暫時使用計算機代替。

設(shè)置5 組不同的運行軌跡，分別通過實驗組工業(yè)機器人和對照組工業(yè)機器人沿軌跡進行運動，實驗人員在實驗過程中將兩組工業(yè)機器人的運行軌跡畫出，并將其與預(yù)設(shè)運行軌跡進行比較，計算得出實驗組與對照組工業(yè)機器人運行軌跡的最大偏差值和最小偏差值。

3.2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述實驗準(zhǔn)備，完成仿真對比實驗，并將實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 實驗組與對照組實驗結(jié)果對比Tab. 1 Comparison of experimental results between experimental group and control group cm

由表1 可知，實驗組工業(yè)機器人的運行軌跡最大偏差值和最小偏差值均小于對照組工業(yè)機器人的運行軌跡偏差最大值和最小值。 同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，實驗組的運行軌跡不僅與預(yù)設(shè)的運行軌跡基本一致，并且軌跡基本控制在各個控制頂點上。由此說明，本文在設(shè)計控制系統(tǒng)過程中，運用大數(shù)據(jù)聚類方法對提高控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度具有一定的效果。 實驗證明，本文提出的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)對工業(yè)機器人的控制誤差更小，更適用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)C器人的控制。

4 結(jié)束語

控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心組成部分，決定著機器人的各項本領(lǐng)、穩(wěn)定性及可靠性，為機器人操作員提供更加簡便、清晰的操作環(huán)境。 通過仿真對比實驗證明了本文提出的基于大數(shù)據(jù)聚類的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)具有更加精準(zhǔn)的控制能力。 但本文的研究仍存在某些方面的不足，例如：控制系統(tǒng)缺乏通用性、廣泛性較差等，需在后續(xù)的研究中對以不足進行改善。