機(jī)器人控制系統(tǒng)的機(jī)電一體化研究

譚敏 劉昭琴 吳江

(重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶市 400000）

在新時(shí)代的背景下，人工智能成為衡量國(guó)家硬實(shí)力和軟實(shí)力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。在21世紀(jì)的科技時(shí)代背景之下，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興科技技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)器人成為機(jī)械制造業(yè)中的重要工具，在未來(lái)機(jī)器人也將成為新時(shí)代發(fā)展主流。在工業(yè)時(shí)代背景之下，機(jī)械制造作為工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展動(dòng)力，機(jī)電一體化的應(yīng)用在其中發(fā)揮著重要推動(dòng)作用，機(jī)電一體化在機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)中符合常態(tài)要求也能夠推動(dòng)機(jī)器人的創(chuàng)新和發(fā)展，基于此，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的機(jī)電一體化研究有著必要性。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的機(jī)電一體化概述

1.1 機(jī)電一體化概述

機(jī)電一體化涵蓋內(nèi)容和范圍十分廣泛，其中包含了電子科技技術(shù)、機(jī)械應(yīng)用技術(shù)等。機(jī)電一體化屬于現(xiàn)代化信息科技技術(shù)中綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，在發(fā)展的過(guò)程中由微電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)轉(zhuǎn)變，成為科技技術(shù)時(shí)代背景下工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中使用最為頻繁，也是最為重要的技術(shù)之一。機(jī)電一體化所涉及到的內(nèi)容也十分繁雜，涵蓋了結(jié)構(gòu)組成要素、感知組成要素等，所以專業(yè)人員在進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)專業(yè)人員的專業(yè)技能水平要求較高。目前，隨著我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械一體化在行業(yè)中的重要性也逐漸顯現(xiàn)，為了推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人的制造也十分重要，做好機(jī)器人控制系統(tǒng)中的機(jī)電一體化能夠滿足科技技術(shù)時(shí)代中對(duì)機(jī)械制造的需求。

1.2 機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)開(kāi)始重視機(jī)電一體化在機(jī)械制造業(yè)中的重要性，所以開(kāi)始研究和應(yīng)用機(jī)電一體化。隨著“863計(jì)劃”的出現(xiàn)，我國(guó)成立了專門的機(jī)電一體化技術(shù)制造小組，對(duì)機(jī)電控制進(jìn)入了專項(xiàng)研究階段。除此之外，國(guó)家開(kāi)始正視機(jī)電系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)的發(fā)展情況，以及對(duì)未來(lái)發(fā)展的展望，所以在各大高校中倡導(dǎo)和鼓勵(lì)開(kāi)設(shè)相關(guān)專業(yè)，并且鼓勵(lì)專業(yè)人士對(duì)次開(kāi)展專業(yè)研究技術(shù)工作，隨著研究的深入，我國(guó)機(jī)電一體化取得了相應(yīng)的研究成果。但是由于我國(guó)的機(jī)電一體化起步較晚，所以在發(fā)展成熟過(guò)程中與西方國(guó)家相比較為緩慢，但是隨著我國(guó)專業(yè)人士的研發(fā)，相信在未來(lái)我國(guó)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)一定能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更高的發(fā)展高度。

1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

就目前而言，機(jī)器人控制系統(tǒng)已將機(jī)電一體化進(jìn)行結(jié)合，在以后，機(jī)電一體化技術(shù)更加成熟之后一定會(huì)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)提供更好的幫助。機(jī)器人控制系統(tǒng)中的機(jī)電一體化技術(shù)通過(guò)機(jī)器人的感知系統(tǒng)、組織系統(tǒng)、行動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)協(xié)同作用，通過(guò)高精準(zhǔn)度的設(shè)備對(duì)機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)，從而提高機(jī)械制造行業(yè)的工作質(zhì)量。除此之外，利用機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)機(jī)械制造設(shè)備傳感器不清晰和圖像傳達(dá)不清晰等問(wèn)題。針對(duì)機(jī)械制造業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合智能化技術(shù)，通過(guò)不斷優(yōu)化和提高智能化科技技術(shù)，形成高效、有序的制造系統(tǒng)，從而幫助機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)目標(biāo)。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)電一體化的要求

2.1 機(jī)械零件制造

據(jù)悉，現(xiàn)在大多機(jī)械制造行業(yè)中的企業(yè)使用的機(jī)器人都屬于中小型或者精密型機(jī)器人，在此背景下，機(jī)械制造行業(yè)對(duì)機(jī)器人的機(jī)械零件提出了更高的要求。同時(shí)，為了遵循機(jī)械制造行業(yè)中對(duì)機(jī)器人的使用要求和基本要求，為了保證零件的精準(zhǔn)度，所以要從提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)度入手。除此之外，若機(jī)器人中的電機(jī)或者手臂的行為軌跡或者部位精度與設(shè)計(jì)不符合，那么會(huì)直接影響機(jī)器人的行動(dòng)軌跡與生產(chǎn)需求出現(xiàn)偏差，影響了最終使用情況。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

據(jù)了解發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在機(jī)械制造行業(yè)中使用的機(jī)器人所應(yīng)用的機(jī)器人大致由六軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。六軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人是運(yùn)用六軸運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)方向類型中屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類型，而直線運(yùn)動(dòng)機(jī)器人主要運(yùn)用于上料、下料等生產(chǎn)過(guò)程。傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中屬于重要組成部分，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)作、行動(dòng)的精準(zhǔn)度有著直接影響。

2.3 機(jī)器人裝配

若機(jī)器人的裝配環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，那么機(jī)器人的末端接受的精準(zhǔn)度也會(huì)出現(xiàn)偏差，所以在生產(chǎn)和制造機(jī)器人的過(guò)程中和優(yōu)化機(jī)器人控制系統(tǒng)過(guò)程中要遵循行業(yè)的要求和需求，對(duì)機(jī)器人的零件加以分析，避免裝配環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致偏差現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.4 機(jī)器人精準(zhǔn)度與末端負(fù)載能力

機(jī)械制造行業(yè)中使用機(jī)器人一般在初始階段機(jī)器人的精準(zhǔn)度、速度等性能都較好，但是隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)或者對(duì)機(jī)器人的養(yǎng)護(hù)不到位等原因，機(jī)器人的零件逐漸出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，到使用后期階段，機(jī)器人的精準(zhǔn)度會(huì)出現(xiàn)較小的偏差。經(jīng)過(guò)筆者的分析發(fā)現(xiàn)有以下兩種原因，一是由于機(jī)器人中的零件收到磨損，機(jī)器人的行走、手臂運(yùn)動(dòng)角度出現(xiàn)偏差，若長(zhǎng)期反復(fù)運(yùn)作，機(jī)器人的在定位上會(huì)出現(xiàn)精準(zhǔn)度偏差；二是由于機(jī)器人的精準(zhǔn)度出現(xiàn)偏差往往因?yàn)閭鲃?dòng)鏈的增加而逐漸擴(kuò)大，所以機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)位置和設(shè)計(jì)時(shí)候的位置出現(xiàn)不一致。機(jī)器人在工業(yè)制造行業(yè)中由于生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中的末端負(fù)載能力也有著不同的需求，經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中末端負(fù)載能力會(huì)有所下降，并且由于部分企業(yè)對(duì)機(jī)器人的超負(fù)荷工作，導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)際工作中超負(fù)載導(dǎo)致?lián)p壞?；诖耍髽I(yè)應(yīng)該注重機(jī)器人對(duì)負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)，避免機(jī)器人因超負(fù)載出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化的應(yīng)用

3.1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置監(jiān)測(cè)

在機(jī)械制造行業(yè)中，機(jī)器人在制作和使用過(guò)程中對(duì)其運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)度有著極高的要求，基于此，需要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸也作出了高要求。伺服電機(jī)是機(jī)器人控制系統(tǒng)中點(diǎn)擊類型的最基礎(chǔ)的點(diǎn)擊類型之一，再電機(jī)中可以安裝編碼器，以此達(dá)到對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置監(jiān)測(cè)的功能，但是需要注意的是編碼器在進(jìn)行翻譯過(guò)程中需要將翻譯后所得到的數(shù)據(jù)即使傳送到驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，以保證電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與射擊角度與實(shí)際所需運(yùn)動(dòng)規(guī)定角度保持一致。另外，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在對(duì)運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)度調(diào)節(jié)檢測(cè)過(guò)程中需要及時(shí)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的角度進(jìn)行調(diào)整，尤其是在機(jī)器人出現(xiàn)行動(dòng)偏差、手臂擺動(dòng)位置偏差的時(shí)，及時(shí)排查機(jī)器人控制系統(tǒng)中的故障問(wèn)題，以此保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃是機(jī)器人完成作業(yè)的前提條件也是重要基礎(chǔ)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡具有穩(wěn)定性和固定性，會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所設(shè)定的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但是往往在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程會(huì)因?yàn)橥庠跅l件受到影響。機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化的應(yīng)用之下，為了幫助機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到統(tǒng)一和精準(zhǔn)，應(yīng)該嚴(yán)格按照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)作業(yè)特點(diǎn)，明確定位機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置，再根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)中所設(shè)定的指令，觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行及時(shí)記錄、監(jiān)測(cè)和分析。

3.3 機(jī)器人的核心部件測(cè)量

從機(jī)器人的實(shí)際屬性而言，機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中屬于精密設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)離不開(kāi)減速器的運(yùn)用。為了提高機(jī)器人實(shí)際工作的穩(wěn)定性、安全性與精準(zhǔn)性，需要對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定做好維護(hù)和監(jiān)測(cè)，將機(jī)電一體化運(yùn)用在機(jī)器人中軸關(guān)節(jié)減速器等設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)，再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)機(jī)器人的軸關(guān)節(jié)震顫頻次進(jìn)行記錄并分析，以此監(jiān)測(cè)機(jī)器人是否出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)震顫頻次進(jìn)行記錄和監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)震顫頻次不符合機(jī)器人設(shè)計(jì)等其他要求，那么設(shè)計(jì)人員需要對(duì)此提出問(wèn)題，并排查控制系統(tǒng)中的問(wèn)題，并及時(shí)分析和解決，以此保證機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

3.4 機(jī)器人工業(yè)環(huán)境控制

為了保證機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和有效性需要機(jī)器人對(duì)周圍工作環(huán)境有一個(gè)正確的分析。由于機(jī)械制造行業(yè)中機(jī)器人的工作環(huán)境有諸多復(fù)雜影響因素，并且機(jī)器人在運(yùn)作過(guò)程中需要在溫度適宜、濕度適宜和電磁信號(hào)適宜的環(huán)境下進(jìn)行工作，否則可能會(huì)因?yàn)闇囟炔缓线m影響機(jī)器人的運(yùn)作，濕度太高導(dǎo)致機(jī)器人零件腐壞或者因?yàn)樾盘?hào)干擾而影響了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡等情況。面對(duì)以上幾種情況，研發(fā)人員需要對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化進(jìn)行強(qiáng)化，例如通過(guò)PLC技術(shù)做好對(duì)外界環(huán)境的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境的自動(dòng)化控制，從外在條件因素避免機(jī)器人操作失誤或者運(yùn)作偏差的現(xiàn)象。

3.5 智能制造

機(jī)器人在工業(yè)制造中具有智能性特點(diǎn)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者設(shè)定的目標(biāo)完成相應(yīng)的操作。在智能制造過(guò)程中將機(jī)械、信息技術(shù)等學(xué)科專業(yè)知識(shí)加以整合，讓機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中可以達(dá)到工業(yè)需求的目標(biāo)和效果。例如機(jī)器人的手臂是模仿了人類手臂，但是由于機(jī)器人的手臂缺乏靈活性，導(dǎo)致在實(shí)際過(guò)程中由于手臂擺動(dòng)卡頓或者角度未能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)導(dǎo)致影響了實(shí)際工作效果，基于此應(yīng)該提高電子技術(shù)精準(zhǔn)度。與此同時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)傳感器感應(yīng)技術(shù)、電子信息技術(shù)等進(jìn)行操作，不僅能夠幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率也能保證企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)下機(jī)電一體化設(shè)計(jì)辦法

4.1 電子控制代替機(jī)械結(jié)構(gòu)控制

生產(chǎn)工業(yè)中若使用的機(jī)器人是采用的單獨(dú)機(jī)械結(jié)構(gòu)控制機(jī)器人的行動(dòng)軌跡和行為方式，那么機(jī)器人的控制方式也是采用一般化的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，若機(jī)器人采用的是機(jī)電一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，那么可以通過(guò)電子化電氣控制技術(shù)對(duì)機(jī)器人的行動(dòng)進(jìn)行操控或者改進(jìn)，這樣不僅能夠簡(jiǎn)化機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)行步驟，也能改變機(jī)器人的整體運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)也能夠完成工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)。首先，通過(guò)編碼器等控制器件將電子控制與機(jī)械控制進(jìn)行結(jié)合，然后通過(guò)變速器替代機(jī)器人的控制系統(tǒng)中的控制方式。電子控制代替機(jī)械結(jié)構(gòu)控制能夠提高機(jī)器人的運(yùn)作性能，也能夠提高其使用質(zhì)量，真正符合機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)理念。

4.2 電子控制與部分機(jī)械結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合

機(jī)器人控制系統(tǒng)中機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)部分中占比最為重要的是需要改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，打造出符合現(xiàn)代化運(yùn)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，其實(shí)設(shè)計(jì)原理并沒(méi)有改變，只是采用了新的設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新了產(chǎn)品，將電子控制與機(jī)械控制結(jié)合成為一個(gè)完整的整體。

4.3 整合控制系統(tǒng)中的功能模塊

在實(shí)際使用機(jī)器人的過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)電子控制系統(tǒng)與機(jī)械控制系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目的，那么需要將機(jī)器人控制系統(tǒng)中的功能性模塊進(jìn)行整合，構(gòu)成一個(gè)完整的第二系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)購(gòu)入伺服模塊、電機(jī)模塊等各類機(jī)械模塊裝置，對(duì)裝置進(jìn)行整合，使之成為機(jī)電一體化產(chǎn)品，這樣不僅節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，對(duì)于用人單位而言也便于維修和管理。

5 總結(jié)

綜上所述，機(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的位置，也是機(jī)器人正常運(yùn)作的重要基礎(chǔ)條件。機(jī)器人的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式，并且為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了生產(chǎn)智能化的目標(biāo)，也實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的基本需求，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的創(chuàng)新和變革做出了貢獻(xiàn)。在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展和機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中，研發(fā)人員需要加強(qiáng)研發(fā)力度，將機(jī)電一體化與機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行全面融入，推動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展和工業(yè)行業(yè)的發(fā)展。