機(jī)器人關(guān)鍵控制系統(tǒng)設(shè)計

李海軍 石淑妮

作者簡介：李海軍（1982— ），男，甘肅正寧人，講師，學(xué)士；研究方向：電氣工程。

*通信作者：石淑妮（1988— ），女，甘肅正寧人，二級教師，本科；研究方向：電氣工程。

摘要：機(jī)器人技術(shù)是一種綜合了多門學(xué)科知識的混合性新技術(shù)，涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、計算機(jī)、通信等多門學(xué)科。機(jī)器人技術(shù)作為21世紀(jì)最先進(jìn)的技術(shù)之一，它的發(fā)展必然會給社會帶來深遠(yuǎn)的影響。為了保證機(jī)器人正常完成各種工作任務(wù)，硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)必須相輔相成。機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制的核心，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素，其重要性不言而喻?；诖?，文章對機(jī)器人關(guān)鍵控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù)；機(jī)器人控制；機(jī)器人控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，機(jī)器人技術(shù)是一種綜合了多門學(xué)科知識的混合性新技術(shù)，涵蓋了機(jī)械、電子、電氣、計算機(jī)、通信等多門學(xué)科。誕生于20世紀(jì)40年代的現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)，不僅發(fā)展速度快，而且應(yīng)用面廣，主要集中在機(jī)械加工生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防科技、智能制造、無人駕駛、5G技術(shù)、航空航天、日常生活等方面。機(jī)器人技術(shù)對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響，掀起了一場技術(shù)革命，已經(jīng)成為生活和生產(chǎn)中不可或缺的生產(chǎn)力，尤其是近幾年機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，帶動了人工智能技術(shù)的快速崛起，而人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，改變了人們傳統(tǒng)的生活方式，推動了社會的進(jìn)步和發(fā)展［1］。

工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)起源于傳統(tǒng)的自動控制技術(shù)，機(jī)器人由于本身具有獨(dú)特的自動控制特性，所以對控制系統(tǒng)提出了新的要求。

1 工業(yè)機(jī)器人的需求背景

工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其在市場占有率高的汽車產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)線上很多工位都已被工業(yè)機(jī)器人取代，例如毛坯加工、機(jī)械加工、焊接、熱處理、噴涂、裝配、檢測及倉庫堆垛等［2］。

隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展向縱向延伸，同時智能化水平也越來越高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也在不斷地擴(kuò)大，例如建筑、農(nóng)業(yè)、采礦、服務(wù)、醫(yī)療衛(wèi)生、國防航天等，機(jī)器人的種類也越來越多，如建筑機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、采礦機(jī)器人、餐飲機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、排爆機(jī)器人、無人飛行器、無人艦艇等。隨著 “中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，中國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略深入推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣，與人們生活的聯(lián)系也越來越緊密，發(fā)展前景廣闊。

2 機(jī)器人關(guān)鍵控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人一般由硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)組成，硬件是骨骼，軟件是肌肉，兩者相輔相成，缺一不可。為了能夠完成相應(yīng)的工作任務(wù)，需要相應(yīng)的控制系統(tǒng)驅(qū)動硬件完成各種工作任務(wù)。目前，機(jī)器人的關(guān)鍵控制系統(tǒng)有3種基本類型：程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。

2.1 程序控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)主要用于第一代“示教再現(xiàn)”機(jī)器人，目前市場上大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于這一類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制裝置和操作機(jī)兩大部分組成。其中，控制裝置由程序裝置、信息處理器和放大執(zhí)行裝置組成。控制裝置實(shí)現(xiàn)對操作機(jī)輸入控制信號的作用，操作機(jī)是起到按照控制要求來完成各種操作和運(yùn)動的作用。

X為輸出參數(shù)，指操作機(jī)相對應(yīng)的各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度或移動的位移值。U為控制信號，指由控制裝置輸出的用于控制操作機(jī)的信號。G是X的設(shè)定值，是恒定不變的，其輸出值X是變化的，按操作人員設(shè)定的時間程序進(jìn)行相對應(yīng)的變化，設(shè)定值G通過計算確定工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)的運(yùn)動軌跡，從而編制相應(yīng)的控制程序，這是程序控制系統(tǒng)一個最顯著的特征。程序控制系統(tǒng)就是根據(jù)程序提前設(shè)定的值U對被控制對象的值X進(jìn)行控制。一般情況下，程序控制系統(tǒng)都是開環(huán)系統(tǒng)，但實(shí)際上由于加工誤差的存在，一般都需要閉環(huán)系統(tǒng)，通過其反饋環(huán)節(jié)來消除誤差，確保加工工件的精確度。

程序控制系統(tǒng)主要由5部分組成，分別是開關(guān)信號、輸入/輸出接口（I/O）、程序控制器、驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。這類系統(tǒng)在間歇性生產(chǎn)過程中的應(yīng)用較為普遍，如多種自動混合加熱控制的液體就屬此類。

2.2 適應(yīng)性控制系統(tǒng)

適應(yīng)性控制系統(tǒng)主要用于第二代“有感覺”的工業(yè)機(jī)器人，這種類型的機(jī)器人裝有不同類型的傳感器（溫度覺傳感器、觸覺傳感器、滑覺傳感器、視覺傳感器等），通過這些不同類型的傳感器分別實(shí)時檢測系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)其檢測的實(shí)時狀態(tài)而自動進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。所以在這種控制系統(tǒng)中，通常情況下不需要提前設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，系統(tǒng)會自動根據(jù)傳感器實(shí)時檢測的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動控制。

不完全的信息表現(xiàn)為系統(tǒng)和環(huán)境信息不完備或其變化規(guī)律的不確定。適應(yīng)控制系統(tǒng)一般采用目的搜索和測試等方法，通過對環(huán)境的實(shí)時觀察和評價，分析現(xiàn)有的控制質(zhì)量，通過對有關(guān)環(huán)境特性，知識的不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對工程師工作過程的模仿，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)質(zhì)量的作用。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)和一般反饋控制系統(tǒng)相比多了一個適應(yīng)控制回路。適應(yīng)控制回路是根據(jù)系統(tǒng)控制對象的輸入、輸出關(guān)系來判別控制對象的特征以及外部干擾，再根據(jù)識別結(jié)果對反饋控制規(guī)律進(jìn)行校正，以適應(yīng)外部環(huán)境特性的改變。無論是進(jìn)行識別，還是對控制規(guī)律的設(shè)計，都可以根據(jù)不同的分析結(jié)果采用與之相應(yīng)的方法，最終達(dá)到不同組合方式形成不同的適應(yīng)控制方案的目的。

當(dāng)系統(tǒng)的環(huán)境特性及其變化可以通過某些參數(shù)來呈現(xiàn)時，這些參數(shù)就可以被識別，并通過反饋控制規(guī)律對這些參數(shù)的相應(yīng)變化進(jìn)行跟蹤。這套系統(tǒng)叫作參數(shù)適應(yīng)控制系統(tǒng)。對于復(fù)雜的情況，往往只能用一些籠統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)來體現(xiàn)控制過程的質(zhì)量，并以質(zhì)量的優(yōu)劣作為修正控制規(guī)律的基礎(chǔ)，即質(zhì)量適應(yīng)控制系統(tǒng)。如果只改變控制器某些參數(shù)的方式（如放大倍數(shù)），則稱為參數(shù)校正系統(tǒng)（參數(shù)校正系統(tǒng)）。若利用校正作用直接作用于控制信號的大小，則稱為信號集成系統(tǒng)。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)在船舶駕駛、汽車無人駕駛、飛機(jī)駕駛、過程控制等方面都取得了一定的成功，也是今后的一個發(fā)展方向。但是，由于現(xiàn)在理論體系還不夠完善，一些技術(shù)還沒有被攻克，配套的裝備也達(dá)不到相應(yīng)的設(shè)計要求，因此，在完成設(shè)計后，還需要通過模擬技術(shù)進(jìn)行最后的測試。

2.3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是指人工智能控制下的第三代“智能”機(jī)器人的系統(tǒng)。與前面兩種控制系統(tǒng)相比而言，智能控制系統(tǒng)是最先進(jìn)、最完善的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)外界環(huán)境的實(shí)時變化，自動實(shí)時修正自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)。智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，智能控制系統(tǒng)具有自動檢測所需新信息的能力，并能通過自身不斷學(xué)習(xí)和經(jīng)驗積累修正并完善自身的計劃。該系統(tǒng)是模擬人的智力工作過程，是機(jī)器人發(fā)展的最高目標(biāo)。

3 典型控制系統(tǒng)

目前，工業(yè)機(jī)器人大多采用計算機(jī)二級控制，一級為主控級，二級為伺服控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示［3］。

主控制級一般主要用于接收操作命令、各個關(guān)節(jié)移動之間的協(xié)調(diào)、各個設(shè)備之間的協(xié)調(diào)以及工作所需要完成的所有操作等各方面的工作，主要由主控制計算機(jī)、顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤、示教盒、傳感器等外圍設(shè)備組成，其中主控制計算機(jī)是數(shù)據(jù)處理中心。伺服控制級是由若干個伺服控制系統(tǒng)組成，其核心也是計算機(jī)，每個伺服控制系統(tǒng)都對應(yīng)著一個關(guān)節(jié)，用來接收主控制級發(fā)出的指令。該指令通過伺服控制系統(tǒng)傳送到與之相對應(yīng)的關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對對應(yīng)關(guān)節(jié)的實(shí)時控制，確保關(guān)節(jié)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

該系統(tǒng)的工作過程為：工作人員通過輸入端鍵盤或示教盒給主控制計算機(jī)輸入操作指令，主控制計算機(jī)接收到來自輸入端的指令后，對其命令進(jìn)行翻譯解讀，并根據(jù)解讀結(jié)果完成相應(yīng)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。將運(yùn)算結(jié)果輸出到伺服控制級，作為操作機(jī)構(gòu)的執(zhí)行信號，控制各關(guān)節(jié)按照命令進(jìn)行運(yùn)動。

3.1 主控制級

主控制級就是工業(yè)機(jī)器人的神經(jīng)“中樞”，相當(dāng)于人的“大腦”，主要由主控制電腦、控制軟件、外圍設(shè)備等部分組成。主控制級的主要作用就是建立工作人員和工業(yè)機(jī)器人之間的信息交互通道，接收工作人員的各種操作指令，反饋工作狀態(tài)，完成機(jī)器人工作過程的各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并把主控制級的指令傳送給伺服控制。

3.1.1 主控制電腦

主控制電腦是控制系統(tǒng)的指揮調(diào)度機(jī)構(gòu)，主要作用是完成從工作任務(wù)、各個運(yùn)動指令到相對應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動之間需要完成的所有操作以及機(jī)器人各個設(shè)備之間的協(xié)調(diào)。主控機(jī)要求運(yùn)算速度快，精度高，存儲容量大，處理中斷能力強(qiáng)。

3.1.2 控制軟件

工業(yè)機(jī)器人的控制軟件是機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡編寫相應(yīng)的程序，控制機(jī)器人按照運(yùn)動的軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)工作。程序一般分為主程序和子程序。

3.1.3 外圍設(shè)備

主要的外圍設(shè)備有顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤、示教盒、傳感器、操作面板等。

3.2 伺服控制級

伺服控制級由多個伺服控制系統(tǒng)組成，每個伺服控制系統(tǒng)既相對獨(dú)立又聯(lián)系緊密，它們分別驅(qū)動操作機(jī)的一個關(guān)節(jié)。具有位置和速度反饋的伺服控制系統(tǒng)如圖5所示。

3.2.1 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器通常由伺服電動機(jī)、位置傳感器、速度傳感器和制動器4部分組成，伺服電動機(jī)的輸出軸和操作機(jī)的關(guān)節(jié)軸直接相連，以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制以及對關(guān)節(jié)位置和速度的檢測，在沒有電源的異常緊急情況下，制動器可以自動制動，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的位置保持不變。在正常工作過程中：得電時，電磁鐵線圈通電，摩擦盤將脫開，使關(guān)節(jié)軸自由轉(zhuǎn)動；斷電時，摩擦盤在彈簧的作用下壓緊，隨之剎車。

3.2.2 伺服控制器

伺服控制器的基本電路由比較器、運(yùn)算器和功率放大器等組成。

4 結(jié)語

機(jī)器人控制是機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)，是目前自動化控制技術(shù)的一個暴風(fēng)口，是21世紀(jì)高新技術(shù)領(lǐng)域的重要前沿技術(shù)之一，改變了傳統(tǒng)的工作方式，必將引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。機(jī)器人控制系統(tǒng)作為機(jī)器人控制的核心，其重要性不言而喻。目前，機(jī)器人控制系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)有所突破，拓寬了未來機(jī)器人的應(yīng)用范圍，目前已經(jīng)涵蓋了軍工國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、教育、服務(wù)、生活等各個方面，極具應(yīng)用價值，一場機(jī)器人技術(shù)研究的新高潮和發(fā)展契機(jī)已經(jīng)來臨。

參考文獻(xiàn)

［1］楊杰忠.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

［2］孫志杰，王善軍，張雪鑫.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2017（7）：2.

［3］陳剛.機(jī)電一體化技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2017.

（編輯 王雪芬）

Abstract： Robotics is a new hybrid technology， which integrates the knowledge of many subjects. At the same time， robotics covers machinery， electronics， electrical， computer， communication and other disciplines.Since the 21st century， as one of the most advanced technologies in the field of society， the development of robotics is bound to bring a profound and powerful impact on society. In the actual operation process， in order to ensure the normal completion of various tasks of the robot， we must ensure that the hardware facilities and software systems complement each other. The robot control system is the core of robot control and the main factor determining the functionality and performance of robots， and its importance is self-evident. Based on this， the article designs the key control system of the robot.

Key words： robotics; robot control; robot control system