工業機器人機械設計方法與機器人算法分析

蘇勃赫 張文瑞 楊興旺 王樹偉 王雪

摘要：本文分析了國內的機器人現狀，并且從明確設計任務、預測原始可靠性、使用高剛度構造、選擇高強度材料四個方面分析了工業機器人機械設計的方法，另外從PID控制法、滑模控制算法、迭代學習控制算法三個方面分析了工業機器人的常用算法，希望能為相關人員提供參考。

關鍵詞：工業機器人;機械設計方法;算法分析

前言：

隨著科學不斷的進步，工業用機器人的使用領域也在不斷的擴大，對我國工業發展起到了一定的作用。為提升智能設備的利用效率，相關部門應該對工業機器人的設計方法和機器人算法進行整體的優化，從而能讓工業機器人被應用到更廣的場合中。

1.國內機器人現狀

我國的機器人研究始于1997年的北京機械工業自動化實驗室，從該實驗室開辦開始，對于我國的大型工業機器人的相關研究已經提上了我國的發展日程，國家開始舉辦各種研究課題和項目，為促進工業生產中大型機械設備的應用打下了良好的基礎。現在，經過多年的發展以后，我國目前已經基本掌握了機器人的結構、機器人的運動控制和計算方法，并且已經在多種工業領域實際運用了大型的工業機器人，但是國產機器人的加工穩定程度和加工速度目前正有待提升，相關核心技術仍然有待突破。

2.工業機器人機械設計方法分析

2.1明確設計任務

應用于工業生產的大型機器人和應用于其他項目的機器人的設計有著相似之處和不同之處，一般，應用于工業的機器人運動分析方法和具體的設計，還有機械機制都于普通機械不同，需要設計者在進行大型工業機器人設計的時候明確設計的任務。工業機器人應該嚴格按照使用和要求的任務來進行設計，同時結合使用的環境來差異性的設計機器人。如應用于噴漆工作的機器人必須具有防爆性，而水下機器人則需要考慮密封車身等方面。在進行設計的時候，要盡量使機器人整體能夠方便安裝，以方便使用。

2.2預測原始可靠性

在機器人的初始設計階段，可以通過應用手段對機器人組件和系統機械的可靠性進行預測，預測機器人組件的可靠性時可以對組件的使用壽命進行計算，可采用的方法有查表法、類比法等。預測機器人軟件的可靠性則可以采取多重分析、神經網絡和對分類收益樹等多種預測方法，從而確保機器人所搭載的軟件穩定可靠，能夠勝任工業的需求。在進行機器人制造的時候，需要對制造機器人所使用的零件進行可靠性分析，對所用的零件進行可靠性測試。在制造完成，準備投入實際使用之前，工廠方面也應該及時檢查，發生錯誤報告要及時進行反饋。

2.3使用高剛度構造

由于材料的剛度會對機器人的精度造成影響，在一定的載荷下，材料的剛度越大，結構的變形越小。在進行機器人的設計工作時，應該貫徹剛度比強度更重要的原則，仔細對機器人的制造材料進行甄選。對于機器人自身的結構來說，材料的剛度不僅與其自身的彈性有關。而且和結構的橫截面積之間有一定的聯系。所以為了提高機器人結構的整體剛度，減少元件彎曲變形的情況發生，需要在進行機器人的設計工作時適當設計橫截面的形狀和大小，確保力和力矩能夠布置在元件上。

2.4選擇高強度材料

機器人的手臂在機器人從事的日常生產工作中負責大量的業務工作，是機器人整體最重要的運動部件。所以為了提升機器人的運動效率，降低機器人的日常磨損情況，在進行機器人的手臂設計使，應該采用較為輕質的材料。同時，由于機器人的手臂為機械的末端，在日常的工作中會客服最大的力矩，所以一般工藝機器人的末端是變形最強的區域。為了對機器人的變形情況加以環節，在進行工業機器人的整體設計時，需要在機器人的手臂末端使用預算范圍內強度最高、密度最低的材料。

3.工業機器人算法分析

目前常用的機器人常用控制法有PID控制法、滑模控制算法、迭代學習控制算法等。

3.1PID算法

PID算法的歷史較為悠久，是現在使用的時間最長、應用范圍最廣的算法。該算法廣泛應用與各種工業現場，在不同的機器人設計中都能取得較為良好的作用。該算法擁有控制簡單、無需建模而且易于實現的優點，是最能反饋控制思想的方法。該算法的執行流程是通過反饋來檢測偏差的信號，并且通過偏差信號來實現對被控量的控制。該算法的控制公式有位置型和增量型兩種，在使用時需要設計者結合具體的情況來進行選擇。

3.2滑模控制算法

滑塊控制算法具有能夠根據預設滑模板進行滑動來提高整體系統性能的功效，整體操作較為靈活，同時也易于實現多種系統功能，但是該算法在具體的操作時切換的頻率較高，對系統硬件的要求也較為嚴格。同時，滑模在且二環的過程中會對電機造成一些沖擊，會對電機的正常使用壽命造成一定的影響。需要對這種算法進行改良。

3.3迭代學習控制算法

迭代學習控制算法則屬于智能控制的范疇，屬于以數據驅動控制目標，對不知道具體動作模型的對象進行控制，一般被應用于動態目標的跟蹤方面。該算法的核心機制為“可重復性+記憶”，可重復性指的是，控制對象在多次實驗中，動態保持一致（一樣）;記憶指的是，第k+1次的控制輸入能利用前面k次（一般是第k次）的實驗信息。分為開環學習的方式和閉環學習的方式。

4.結論

在工業機器人的整體設計工作中，按照標準化的設計對機器人的整體制造進行有序的設計工作，有助于設計出能夠完善處理工業機制的機器人，能夠極大程度上的提高科學發展，促進機器人結構和算法的整體改良發展。

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作者簡介：蘇勃赫（1996.8—），男，漢族，籍貫：河北張家口人，北華航天工業學院電子與控制工程學院，20級在讀研究生，碩士學位，專業：電子信息，研究方向：控制工程.