解析工業(yè)機(jī)器人的智能化運(yùn)動技術(shù)控制方式方法

趙 亮

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

人工智能技術(shù)在我國相對發(fā)展成熟，在人工智能的推動下，我國工業(yè)自動化生產(chǎn)逐漸開始使用工業(yè)機(jī)器人[1]。工業(yè)機(jī)器人可以按照需求智能化調(diào)節(jié)運(yùn)用領(lǐng)域，機(jī)器人有曲線運(yùn)動、多點(diǎn)運(yùn)動、單點(diǎn)運(yùn)動等多種運(yùn)動方式，而且都是可人工控制的[2-3]。工業(yè)機(jī)器人具備的多種運(yùn)動模式能夠替代人工，應(yīng)用于一些高危領(lǐng)域的作業(yè)。各個生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，不僅可以有效地完成生產(chǎn)作業(yè)，還可以提供安全保障[4]。

1 工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方法的意義

工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)是工業(yè)生產(chǎn)存在特殊性的產(chǎn)物。傳感器、控制器、機(jī)械運(yùn)動部件、伺服驅(qū)動裝置共同組成了工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于一些高難度、高精密度的工業(yè)領(lǐng)域作業(yè)，并且取得不錯的成績，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)手工作業(yè)效率低的問題，滿足了一些高危行業(yè)的應(yīng)用需求。

工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方法讓工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了智能化，其意義主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 提升工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，需要其具備與人工作業(yè)相匹配的技能。傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)設(shè)備體積偏大，生產(chǎn)程序繁雜，機(jī)器不是很靈活，無法滿足特定工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求。工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方法不僅讓工業(yè)機(jī)器人的體積變小，而且更加靈活，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性也更強(qiáng)，工業(yè)機(jī)器人能夠模仿人工操作。工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方法使工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與人體結(jié)構(gòu)相似，手臂、關(guān)節(jié)、頭部都是按照人體結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的。因此工業(yè)機(jī)器人在從事生產(chǎn)作業(yè)時才能擁有與人工相似甚至更高的精準(zhǔn)度，讓工業(yè)機(jī)器人對生產(chǎn)環(huán)境有更高的適應(yīng)性。

1.2 提升工業(yè)機(jī)器人的兼容性

傳統(tǒng)機(jī)器人無法從事精密度高的工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)在于未使用智能運(yùn)動控制技術(shù)，傳統(tǒng)機(jī)器人在從事特定生產(chǎn)作業(yè)時，無法根據(jù)生產(chǎn)需求靈活轉(zhuǎn)變。工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用智能運(yùn)動控制方法之后，能夠靈活變通使用也更加方便，只需要更換運(yùn)動系統(tǒng)部件，工業(yè)機(jī)器人就可以應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。因此智能運(yùn)動控制技術(shù)讓工業(yè)機(jī)器人的兼容性更強(qiáng)，可以為不同的生產(chǎn)作業(yè)提供服務(wù)，實(shí)用價(jià)值更高。

1.3 提升工業(yè)機(jī)器人性能，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)

應(yīng)用智能運(yùn)動控制技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人從事工業(yè)生產(chǎn)，讓工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了智能化，增加了機(jī)器人的靈活性和便捷性。智能運(yùn)動控制技術(shù)的應(yīng)用，提升了工業(yè)機(jī)器人的性能，工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制就是讓機(jī)器人模仿人工從事工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，一些高危行業(yè)和作業(yè)需要通過機(jī)器人來完成，降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)。

2 改良傳統(tǒng)PID控制的意義和方法

傳統(tǒng)PID控制有很多問題需要改進(jìn)，曾有相關(guān)人員提出實(shí)現(xiàn)非線性PID控制。非線性PID控制器的優(yōu)勢在于可以按照系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)靈活變通，其實(shí)就是PID增益系數(shù)的另一種表達(dá)方式，也就是非線性函數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制器的靈活變通。研制非線性PID控制器的基本步驟：是通過示范為機(jī)器人采集信息，這樣可以獲取對點(diǎn)數(shù)據(jù)，將對點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入之后，讓機(jī)器人的動力學(xué)方程更加簡單明了，以此來推導(dǎo)出機(jī)器人多個時刻的多關(guān)節(jié)傳遞函數(shù)表達(dá)式，便可以獲取PID增益系數(shù)，PID增益的非線性變化有一定的規(guī)律，選定之后可以擬合，采用的方法為最小二乘法。對關(guān)聯(lián)內(nèi)容建立表達(dá)式，這就是完整的非線性PID控制器研制步驟。

3 工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方式方法

3.1 提升機(jī)器人關(guān)節(jié)模型算法

擬人運(yùn)動法是工業(yè)機(jī)器人的唯一智能運(yùn)動方法。設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的初衷就是讓工業(yè)機(jī)器人來代替人工完成工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。這就需要工業(yè)機(jī)器人有一定的靈活性，提升工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)模型算法可以滿足這一要求。讓算法更加簡單、有效且匹配度高。提升機(jī)器人關(guān)節(jié)模型算法不僅提高了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)作效率，還讓工業(yè)機(jī)器人變得更靈活，對于精密度較高的生產(chǎn)作業(yè)也可以更好的適應(yīng)。提升機(jī)器人關(guān)節(jié)模型算法優(yōu)化了工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)擺動靈活度，讓工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制技術(shù)得到提升。

3.2 優(yōu)化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動方法其中包含的主要內(nèi)容有機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人從事工作生產(chǎn)作業(yè)時，通過優(yōu)化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)可以增加協(xié)調(diào)性，機(jī)械傳動的效率也更高，有助于提升工業(yè)機(jī)器人的工作效率。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性、靈活性、穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考慮的問題。由于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，因此在優(yōu)化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)時，要以滿足工業(yè)機(jī)器人的用途為前提，機(jī)械傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局要按需調(diào)整。

3.3 完善DNA計(jì)算

有一種剛問世不久的計(jì)算思維模式叫DNA計(jì)算。DNA計(jì)算融合計(jì)算與有關(guān)生物知識的一種全新計(jì)算思維模式，這種計(jì)算思維模式可以讓工業(yè)機(jī)器人對信息數(shù)據(jù)更好的分析和處理。DNA計(jì)算的不同之處在于混合了數(shù)據(jù)信息，與核酸分子雜交有相似之處。經(jīng)過篩選的混合數(shù)據(jù)會出現(xiàn)可利用的串聯(lián)數(shù)據(jù)。DNA計(jì)算作為一種全新的計(jì)算思維模式，可以幫助工業(yè)機(jī)器人找到PID最優(yōu)增益系數(shù)。

3.4 提高軟件程序設(shè)計(jì)水平

工業(yè)機(jī)器人在設(shè)計(jì)之初，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如果存在問題就會影響工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動靈活度，設(shè)計(jì)出來的工業(yè)機(jī)器人一般在運(yùn)動方面無法滿足需求。也就是說設(shè)計(jì)者在程序設(shè)計(jì)時，對工業(yè)機(jī)器人的使用效率沒有充分的考慮。一般來說，設(shè)計(jì)軟件程序時，要以工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際用途為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)的功能結(jié)構(gòu)要有清晰的區(qū)分。設(shè)計(jì)的軟件程序要滿足不同的結(jié)構(gòu)功能需求。軟件程序的設(shè)計(jì)能力，是工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制的發(fā)展保障。

4 機(jī)器人運(yùn)動控制模塊

綜合應(yīng)用Windows操作系統(tǒng)和C#高級編程語言，機(jī)器人通過編程完成了關(guān)節(jié)非線性PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制、免疫克隆PID控制和DNA—PID控制，這四種控制策略最終都與控制系統(tǒng)軟件融合(見圖1)。

圖1 四種控制策略程序流程圖

非線性PID要求控制系統(tǒng)設(shè)定一個關(guān)節(jié)角采樣時間，并在第一時間獲取到的信息傳輸?shù)匠绦?，程序會按需給出PID增益值，程序會為PID控制器下載PID增益值，機(jī)器人運(yùn)動控制得以實(shí)現(xiàn)。與此相近的，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入設(shè)定時間內(nèi)采集到的關(guān)節(jié)角位置信息和角速度信息，程序按需給出PID值，并實(shí)現(xiàn)PID控制。免疫克隆PID控制和DNA—PID控制第一步就是為程序輸入采集到的關(guān)節(jié)角位置、角速度與對應(yīng)的設(shè)定值，成功辨識被控對象參數(shù)，采用與之相對應(yīng)的DNA算法和免疫克隆算法，獲取PID增益值。DNA算法和免疫克隆算法在應(yīng)用過程中，用戶按需選擇控制策略，控制系統(tǒng)也會給出相應(yīng)的控制模塊。

5 機(jī)器人運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)

分別實(shí)驗(yàn)了已知和未知情況下的機(jī)器人關(guān)節(jié)非線性PID控制算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID模型和機(jī)器人自適應(yīng)免疫控制與DNA控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是Windows XP操作系統(tǒng)運(yùn)行控制系統(tǒng)程序，對計(jì)算機(jī)處理器的要求是速度在2.4GHz，512MB內(nèi)存?？刂茩C(jī)器人在設(shè)定好設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)的軌跡運(yùn)動，對比采獲的當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)和期望點(diǎn)坐標(biāo)，可以看出當(dāng)前運(yùn)動軌跡出現(xiàn)的偏差(見圖2)。

圖2 最終的機(jī)器人運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)

6 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景

工業(yè)機(jī)器人可以代替人工從事工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，不僅提高了生產(chǎn)效率，也降低了人工操作的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對于精密度高的工業(yè)生產(chǎn)而言意義重大，可以幫助企業(yè)完成轉(zhuǎn)型升級。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及了工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人不再局限于機(jī)械電子制造、汽車制造等領(lǐng)域，采礦、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流、軍事等領(lǐng)域也開始大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，而且使用成果有目共睹，因此還推動了綜合國力的提升。但是目前我國的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量缺口還很大，應(yīng)用領(lǐng)域有一定的局限性，這也證明了工業(yè)機(jī)器人在我國還有很大的發(fā)展空間，且潛力巨大，在未來不久的日子，我國一定會實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，完成發(fā)展目標(biāo)。

7 總 結(jié)

工業(yè)機(jī)器人在各行各業(yè)都有很高的應(yīng)用價(jià)值，對于我國而言，可以通過工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，讓更多從事高強(qiáng)度、高難度、高危險(xiǎn)的工作人員得到解放，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量同時還能提供安全保障。但是目前我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展還有許多問題亟待解決，而工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方式方法的研究是唯一高效的解決辦法，因此相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員和工作人員要不斷提升專業(yè)素養(yǎng)，付出更多的努力和汗水研究相關(guān)學(xué)術(shù)知識，讓工業(yè)機(jī)器人能夠廣泛應(yīng)用于我國各生產(chǎn)領(lǐng)域，為國家和人民做出貢獻(xiàn)。