工业机器人运动控制系统的研究与设计

赖时伍（深圳市盛视科技有限公司，广东深圳，518040）



工业机器人运动控制系统的研究与设计

赖时伍
（深圳市盛视科技有限公司，广东深圳，518040）

摘要：工业机器人具有质量稳定、速度可调节、抗疲劳等优势，还能替代人类完成危险系数较高的工作任务。它的广泛使用，不但可以提高生产效率，还能够提高产品质量，同时降低生产成本，减轻了工人的劳动压力。工业机器人的运动控制系统是集合电子、机械、计算机软硬件、人工智能传感器等多种先进技术的具备拟人功能的机械电子装置，也是目前工业生产机电一体化技术发展的重要研究方向。社会经济与信息科学技术的迅速发展，生产过程中受到电、磁等多种因素干扰，均对工业机器人的产品参数提出了更高的要求。尤其是工业机器人的设计方案，必须要充分体现工业机器人运动控制系统是如何处理抗干扰与保持系统性能稳定，进而确保工业机器人的高效运动控制。这也是当前工业机器人技术发展攻坚阶段所面临的难题之一。

关键词：工业机器人；运动控制系统；模型；算法；设计

工业机器人以其高效率、多功能、可替代人类从事高危工作、多自由度操作、质量稳定等优势，被工业、医疗等行业广泛采用。就工业实践应用而言，运动控制系统是工业机器人的关键组成。如果在设计阶段无法获得建模对象的完整且准确的信息，势必会影响工业机器人生产过程中控制算法的选择，很有可能导致运动控制模型建立的失败。

1 工业机器人的组成与运动控制模型的建立

工业机器人的组成相当复杂，包括硬件和软件两类部件。

硬件共有机械手、控制器、驱动器、末端执行器、传感器五个部分。机械手，又称操作臂，由连杆、活动关节与其他部件共同构成的机器人主体部分；控制器，机器人发出信号、操纵执行机构完成指令内容并反馈信息的装置部分。一般通过MCU、DSP等微控芯片联合外围设备，创新控制算法编程来达到对机械手的精准操作；驱动器，是机器人的主要动能部分。接收控制器传递的信号，再根据信号操作机器人的运动，常见类型有伺服电机、气缸及液压缸等；末端执行器，是机器人关节的最后连接部分，属直接用于操作的功能性部件；传感器，装置于机器人内部，接收外部信息，控制机器人行动，也同外界沟通。

软件包含控制算法程序、人机交互界面、集合的应用子程序以及工业机器人专用的接口程序。

2 工业机器人控制算法的结构类型

就国内现有的工业机器人运动控制系统而言，扩展性达不到，无法满足工业生产对机器人运动控制系统的高通用度的需求。为动态稳定地实现工业机器人的运动控制，扩大工业机器人运动控制系统的应用范围，需要对工业机器人采用较多的控制算法的结构类型作简要梳理。

迭代控制算法。有开闭环迭代控制算法、高阶迭代、具有遗忘因子的迭代、滤波型迭代、前馈—反馈迭代和最优迭代控制算法。为保证运动控制系统的收敛性，需要在迭代控制算法中找到效益更好的矩阵。这要求技术研发人员不断丰富模型知识，具体操作起来工作量过大，计算不便，且容易形成对数学模型分析的过度依赖。工业机器人对于运动控制系统的收敛速度与精准度要求严格，尤其是在完成轨迹跟踪等强耦合非线性环境下的工程作业。因此，有研究提出了系统的反馈辅助型的带变增益迭代控制算法，通过具体课题项目中的实验性研究，数据推演，得出了该控制算法的收敛性条件，虽然实验条件有限、研究不够成熟，但仍然对工业机器人运动控制系统的研究具有一定可操作性的实际应用价值。

复合控制算法。结合了传统控制算法和现代控制算法，亦称之为神经网络—PID复合控制技术，通过PC端对收集到的采样数据进行分析处理，在神经网络内实现优化，以稳定性和动态性双重检验标准来保证工业机器人对于伺服速度与准确性的诉求。

3 工业机器人运动控制系统的设计方案

在进行工业机器人运动控制系统具体方案设计时，基本依从以下步骤分模块进行：

3.1 硬件

以多自由度机器人为工业机器人运动控制系统硬件的设计载体，采用分级梯式设计理念。初级将PC机纳入到控制器的第一顺位选择对象，其拥有的极速运行非常有利于多自由度机器人对于高灵敏度与智能化的运动控制要求。基于前期数据搜集、整理与分析，精准地做到人机交互、优化运动轨迹和分阶段匹配任务等工作。第二阶段通过伺服控制电机发出的指令信号，把PC总线与8位单片机无缝对接，实现无障碍数据交流通讯，将多自由度机器人的运动装置进每部伺服电机速度和双闭环控制系统中去，使指令信号借助伺服电机放大，有效激活工业机器人各组成部件所对应的编码器，确保位置信号实时以太网精准地反馈。综合考虑机器人硬件系统维护运行的条件，选用主频1.2赫兹。最大内存扩展为32G的嵌入式工控机存储器，其功能强大而稳定性高的中央处理器，足以完全适应工业机器人硬件控制的要求。

3.2 软件

工业机器人运动控制系统的软件程序设计，包括PC端工控机与伺服器控制软件两个组成部分。PC端核心模块采用稳定性较高的芯片组与外部存储接口处理器，为运动控制系统的有效操作提供了前提条件。工业机器人进行作业时，通过模块间协议通信来采集工业机器人的运动信息，根据运动事情发送信号指令，实现对工业机器人活动方向、活动位置、活动质速的实时监测。在数字信息网络中的通信，基本上由TCP协议管控工业机器人各个部分的仿真联调信息交换，均采用C语言编写指令程序，有利于保证控制系统的扩展性与可迁移性。工业机器人运动控制软件在设计用户界面时，充分利用QMainWindow类图形模块来构建软件用户操作界面的整体框架，最大化实现各个模块之间的数据信息交互。首先通过上下位机通讯模块的建立与正常运转，获取可控制机器人操作杆、活动关节等各个部分活动的编码器函数值，并将运动控制信号命令存储在控制器卡内。其次利用信息编辑处理模块对工业机器人命令控制卡析出的信号指令，进行代码管理与检测。根据工业机器人操作臂末端停留角度与态势，通过机器人运动学正解与逆解的运算来奠定运动控制系统软件设计部分对工业机器人的目的性验证，从而实现工业机器人多自由度的轨迹运动规划。再次，工业机器人运动控制系统的人机交互设计，主要用途有三：一是显示作用，用于用户查看输入数据及显示数据的动态更新，便于操作，提高工作效率；二是教学作用，考虑工业机器人可能遇到的复杂作业情况，模式设定以后，可借助再现模式复原操作场景动作；三是管理作用，设定机器人主要参数及界面访问密码，针对工业机器人的操作态势、作业情况、系统控制状态显示重要信息，便于用户操作。

3.3 测试

为验证工业机器人运动控制系统的控制算法是否科学合理实用，对机器人各组成部件的管控、软硬件系统的操作运行展开测试。多自由度工业机器人与复合控制算法的结合相对比较理想。在大量的实验操作过程中，工业机器人对运动控制系统发出的传感数据与规划指令响应迅速，动作执行精确度较高，反应时差基本上处在运动控制系统的预估范围之内，属于稳定形态的误差。这也得益于复合控制算法的优势。再通过基础运动控制系统进行数据输出，对工业机器人在实地作业时遇到的突发情况进行精准处理。测试顺利完成后，根据预演的运动控制效果，对运动控制系统进行必要调整，将其并入工业机器人运动控制研究的整体规划中，圆满实现设计效果。

参考文献

［1］丁度坤.工业机器人智能运动控制方法的分析与研究［D］.华南理工大学，2010.

［2］钟新华，蔡自兴，邹小兵.移动机器人运动控制系统设计及控制算法研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），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

作者简介

赖时伍（1982年10月），男，汉，湖南，高级工程师，硕士， 研究方向：工业工程。