基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究

李特

黔南民族師范學(xué)院，貴州 都勻 558000

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人也在不斷進(jìn)化，控制機(jī)器人的技術(shù)也在不斷提高。多年來，工業(yè)機(jī)器人的形式不斷變化，有固定底座式、輪式移動式、履帶式、多足支撐式等[1]。近年來，多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人已成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。尤其是類人機(jī)器人，具有其他類型的工業(yè)機(jī)器人無法比擬的優(yōu)勢，易于融入人類日常生活和實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，輔助人類完成特定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)新時代工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。在過去使用的工業(yè)機(jī)器人集中控制系統(tǒng)中，控制功能高度集中，局部故障可能會導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的整體故障，降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[2]。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個重要分支，是一種外觀上具有類人特征的機(jī)器人，它是一種具有獨(dú)立決策能力的多傳感識別系統(tǒng)，能夠及時準(zhǔn)確地應(yīng)對外部環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作，并進(jìn)行人機(jī)交互[3]。CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的總線，具有成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)具有良好的開放性，非常適合構(gòu)建多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)[4]。

多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人對其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求不同于一般的工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗仨毮軌驅(qū)崿F(xiàn)靈活準(zhǔn)確地操作，這樣它才能隨時有效地完成預(yù)先規(guī)定的工作。為了提高多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的性能，提高其可靠性和穩(wěn)定性，本文采用基于智能體的分層控制思想構(gòu)建了多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人作為一個復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，需要有效利用自身的多傳感器技術(shù)感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)的變化，并調(diào)整自身的運(yùn)動執(zhí)行器[5]。因此，對多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性要求較高。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人高度模仿生物的形態(tài)和動作方式，充分展示了新一代工業(yè)機(jī)器人的靈活性和智能化。多傳感器技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用既可以提高工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字智能化水平，也能夠促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)和裝備的優(yōu)化升級，對驅(qū)動工業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與理論介紹

1.1 信息融合理論與方法

現(xiàn)階段，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的信息融合模型主要是一種建立在XML上的數(shù)據(jù)信息資源互聯(lián)匯聚的中介框架模型，使用中介（封裝器體系結(jié)構(gòu)），其中采用XML描述數(shù)據(jù)信息資源和映射規(guī)則，為最終工業(yè)機(jī)器人的智能化提供集成的數(shù)字化信息源。同時，基于XML數(shù)據(jù)的SIXP2P系統(tǒng)語義融合模型以及模型驅(qū)動的數(shù)據(jù)融合模型，通過分離數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)來降低數(shù)據(jù)融合的復(fù)雜性，從而有效地解決了基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)集成問題，通過算法模型的構(gòu)建，提高多傳感器技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字智能化水平。

對于基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)信息融合方法層面，目前主流使用的是基于中介的方法。這種方法是通過多傳感器技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，將獨(dú)立的指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為底層數(shù)據(jù)源支持本地模式運(yùn)行。其中，基于多傳感器的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)借助源數(shù)據(jù)中的實(shí)際數(shù)據(jù)流支持全局模式的整體協(xié)調(diào)與融合，實(shí)現(xiàn)映射的方式主要由GAV或LAV兩種。當(dāng)基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)源已知且穩(wěn)定時，應(yīng)采用GAV算法；當(dāng)基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)源規(guī)模較大、時效性較強(qiáng)時，應(yīng)采用LAV算法。

1.2 基于多傳感器技術(shù)的信息融合技術(shù)

基于多傳感器技術(shù)的信息融合是指為集成信息系統(tǒng)的客戶端提供多數(shù)據(jù)源統(tǒng)一視圖的過程，在基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的信息融合，指的是為集成數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的機(jī)器人端提供更多模式識別化的操作指令。多傳感器技術(shù)的信息融合是以數(shù)字智能化信息技術(shù)為基礎(chǔ)，包括5G通信、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，利用特定的法則對多個傳感器中的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析和處理，完成一套完整的信息處理。目前，多傳感器系統(tǒng)所包含的信息處理和分析功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人腦對信息的理解能力，人腦是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它能綜合、分析、處理周圍各種信息并作出反應(yīng)。基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也是同樣的概念，只是將信息和數(shù)據(jù)存在于系統(tǒng)中，達(dá)到數(shù)字智能化的處理能力。通過多傳感器技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)方面的充分利用和合理使用，每個多傳感器系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)是實(shí)時填充在工業(yè)機(jī)器人操作的時間和空間中，以此增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的靈活性和智能化水平，從而提高工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字化效率和操作質(zhì)量。

基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的信息采集通過傳感器協(xié)同完成，經(jīng)過核心處理器的集中分析處理，執(zhí)行層的自動控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果形成指令，對工業(yè)機(jī)器人的具體操作進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測控制。同時，通過工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多傳感器協(xié)同獲取的數(shù)據(jù)信息融合處理，然后按照合理建立的融合算法模型和方法對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的信息融合技術(shù)是一種從不同角度對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和比較。通過綜合各個傳感器獲取的信息，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)可以完整、準(zhǔn)確、客觀地表征外部環(huán)境，且基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的信息融合技術(shù)處理的數(shù)據(jù)信息具有冗余性、互補(bǔ)性和信息獲取成本低的特點(diǎn)。

1.3 多傳感器工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的信息融合技術(shù)

基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分為組合模塊、合成模塊、融合模塊以及關(guān)聯(lián)模塊四部分。其中，組合模塊是基于多傳感器協(xié)同的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理的第一層模塊，憑借多位傳感器以并行和互補(bǔ)兩種輸出模式，來提升獲取信息的全面性和精準(zhǔn)度。多傳感器技術(shù)的數(shù)據(jù)信息融合包括兩個方面，一方面是對傳感器輸出的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將各個傳感器數(shù)據(jù)與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的算法模型關(guān)聯(lián)起來，最后對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，生成新的數(shù)據(jù)信息表達(dá)式。此外，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通過識別和預(yù)測強(qiáng)化學(xué)習(xí)和記憶，多傳感器協(xié)同技術(shù)的分布式應(yīng)用既能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機(jī)器人獲取信息的準(zhǔn)確性和高精度，還能夠根據(jù)數(shù)據(jù)信息融合算力梳理出數(shù)據(jù)集間的邏輯關(guān)系規(guī)律、規(guī)避錯誤信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確地判斷與反應(yīng)。多傳感器技術(shù)的數(shù)據(jù)信息融合的層次化描述存在于各種實(shí)際環(huán)境中，使這些數(shù)據(jù)信息成為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中自動控制系統(tǒng)需要處理的模塊化信息，同時完成基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的融合。

2 多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的行走等功能，從機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個方面對整個系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，有利于減輕機(jī)器人結(jié)構(gòu)的重量，提高機(jī)器人的承載能力，為機(jī)器人控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供更多的空間。為了保證多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人可以離線工作，機(jī)器人的供電系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)安裝在機(jī)體上，工業(yè)機(jī)器人與監(jiān)測站之間通過無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)指令對機(jī)構(gòu)體進(jìn)行操作和控制，完成操作的各種動作。

2.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制器系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了工業(yè)機(jī)器人的性能。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的核心位于控制系統(tǒng)的主控層，根據(jù)動力學(xué)測算和運(yùn)動模式規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)智能決策與人機(jī)交互模塊的精準(zhǔn)執(zhí)行。同時，依靠豐富的數(shù)據(jù)信息支撐，主控層能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器工業(yè)機(jī)器人的多關(guān)節(jié)協(xié)同操作。因此，通信層對可靠性和實(shí)時性有較高的要求。通過獲取陀螺儀、六軸力傳感器和位置傳感器的信息，為整個控制系統(tǒng)提供控制目標(biāo)。為了保證多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人可以離線工作，將工業(yè)機(jī)器人的供電系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)安裝在機(jī)體上，并通過無線局域網(wǎng)與監(jiān)測站實(shí)現(xiàn)通信?；诙鄠鞲衅骷夹g(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的通信層在控制系統(tǒng)中起橋梁作用。它接收工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的主控層發(fā)出的控制目標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換成特定的控制指令發(fā)送給執(zhí)行層。

一個好的控制器應(yīng)該具有靈活方便的操作方式和多種運(yùn)動控制方式。由于多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人是一種高度非線性、強(qiáng)耦合的對象，且存在摩擦、載荷變化等不確定因素，研制精確可靠的控制系統(tǒng)是各研究機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)之一。基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行層負(fù)責(zé)多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)伺服控制和信號采集。此外，導(dǎo)航傳感器收集的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置定位信息和陀螺儀傳感器檢測的工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)信息，經(jīng)過控制系統(tǒng)集成的反饋信息傳輸?shù)蕉嗑S力傳感器，實(shí)現(xiàn)操作中多角度反作用力的監(jiān)測。在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時，對工業(yè)機(jī)器人性能的要求是不同的，尺寸參數(shù)也是不同的。對于多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人來說，末端執(zhí)行器是頭部作為一個整體，所以對靈活性的要求更高。也就是說在靈活性盡可能好的前提下，選擇速度特性、工作空間、運(yùn)動幅值和力特性更好的尺寸。

2.3 基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)

在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，以往采用的工業(yè)機(jī)器人集中控制系統(tǒng)，控制功能集中，數(shù)據(jù)傳輸速度快、精度高，但局部故障可能導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)整體故障。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，由雙向、串行和多節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場總線組成的集散控制系統(tǒng)在多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域占有重要地位。與傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)具有可靠性高、易于維護(hù)、開放性和靈活性等特點(diǎn)，能夠更好地滿足多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制的要求。依靠工業(yè)機(jī)器人主控系統(tǒng)強(qiáng)大的算力，CPU合理優(yōu)化分配線程規(guī)劃，降低線程的占用，實(shí)現(xiàn)線程間的瞬時轉(zhuǎn)換。同時，為降低多傳感器協(xié)同技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)CAN模塊的資源消耗，利用線程共享規(guī)劃進(jìn)程的虛擬地址空間，以并行執(zhí)行狀態(tài)訪問資源，有效提高程序的運(yùn)行效率。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人是一種典型的復(fù)雜智能系統(tǒng)，由于感知理論和技術(shù)的限制，目前完全自主的多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是主要科研設(shè)計(jì)方向。

多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器采用嵌入式設(shè)計(jì)，具有電機(jī)伺服控制、實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動、執(zhí)行反饋給上位機(jī)、故障檢測、報(bào)警和處理等功能。每個Agent是獨(dú)立的，由一個關(guān)節(jié)控制器、幾個關(guān)節(jié)驅(qū)動器和相應(yīng)的傳感器組成?；诙鄠鞲衅骷夹g(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的語音視覺系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)之間的通信采用有線和無線混合局域網(wǎng)。同時，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器接收上位機(jī)發(fā)送的位置信息，通過電機(jī)編碼器提供的位置反饋信息生成控制量，再通過伺服放大器驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)形成完整的閉環(huán)控制回路，協(xié)調(diào)執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服控制。

3 多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人混合控制結(jié)構(gòu)

從基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)來看，多維傳感器在多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人中的作用是讀取工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時信息數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析和處理，然后將得到的信息返回給工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的主控制器?；诙鄠鞲衅骷夹g(shù)的工業(yè)機(jī)器人的主控制器將接收到的數(shù)據(jù)信息修正為原始步態(tài)規(guī)劃數(shù)據(jù)，使多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人能夠按照預(yù)先設(shè)定的步態(tài)規(guī)劃平穩(wěn)操作?；诙鄠鞲衅骷夹g(shù)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該具有處理緊急情況的能力，如發(fā)生異常，多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人是一種典型的復(fù)雜智能系統(tǒng)。

3.2 多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人集中控制系統(tǒng)

目前，工業(yè)機(jī)器人的集中控制系統(tǒng)是指機(jī)器人處理器根據(jù)系統(tǒng)的整體情況進(jìn)行決策處理和統(tǒng)一調(diào)度。該工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有硬件成本低、整體協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時，處理能力不足，運(yùn)行效率降低，相互的信號干擾會增加系統(tǒng)故障率。基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人之所以能在已知或未知環(huán)境中完成一定的操作功能，是因?yàn)樗梢酝ㄟ^傳感器感知外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)的信息，獲取反饋信息，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的閉環(huán)控制。主控模塊首先離線生成機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動序列，通過通信模塊將全局信息和關(guān)節(jié)信息與底層控制器模塊進(jìn)行交互，并根據(jù)一定的操作規(guī)劃算法和任務(wù)要求在線調(diào)整多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的操作運(yùn)動軌跡。因此，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的集中控制系統(tǒng)，具有更高的數(shù)字智能化水平，對數(shù)據(jù)信息的處理能力更強(qiáng)，操作更靈活精準(zhǔn)，能夠有效提高操作效率和質(zhì)量。

4 結(jié)語

由于未知的生產(chǎn)因素和周圍環(huán)境影響，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動或操作時需要收集和識別大量的環(huán)境信息，及時作出決策，并通知執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一步工作。為了保證多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定操作，需要保證工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時性，不僅要縮短控制周期，還要保證固定的時間間隔。此外，為了保證對環(huán)境的強(qiáng)適應(yīng)性，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人必須能夠同時處理各種復(fù)雜的任務(wù)，在有限的時間內(nèi)必須對實(shí)時控制任務(wù)作出響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的高性能控制，基于多傳感器技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該體積小、集成度高，盡可能減少硬件和設(shè)備連接的數(shù)量，并使規(guī)模盡可能簡單。同時，工業(yè)機(jī)器人必須能夠及時對外部環(huán)境的變化做出響應(yīng)，并且必須擁有快速的中斷響應(yīng)時間。這些都是由多傳感器技術(shù)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)來保證，因此多傳感器融合的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制必須基于實(shí)時系統(tǒng)的控制平臺。