工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

余金永，蘇冠領(lǐng)，莫中凱

（廣西城市職業(yè)大學(xué)，廣西 崇左 532200）

工業(yè)機(jī)器人是人工智能的一個(gè)分支，有非常廣闊的前景，而控制系統(tǒng)對機(jī)器人智造至關(guān)重要。無論是“大數(shù)據(jù)+工業(yè)機(jī)器人”還是“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)機(jī)器人”，都在催促著工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的更新與換代。只有對工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，才能快速適應(yīng)市場日新月異的要求與需求。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容

1.1 研究工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的必要性

為了進(jìn)一步的提高工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體水平，將其更好地應(yīng)用在生產(chǎn)線上，為社會(huì)進(jìn)步做出更多貢獻(xiàn)，首先要分析工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究中的基本內(nèi)容并對其必要性進(jìn)行分析。從宏觀角度來看，工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的必經(jīng)之路，也是推動(dòng)相關(guān)行業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)重要途徑。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)，尤其是在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料，可以進(jìn)一步降低成本。相對于人力成本而言，工業(yè)機(jī)器人的成本較低。雖然在早期研發(fā)以及使用的過程中可能會(huì)投入大量的成本，但是從長遠(yuǎn)的角度來看，如果能夠穩(wěn)定運(yùn)行，便可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。相對于長期的雇傭工人，又或者是承擔(dān)相應(yīng)的人為因素風(fēng)險(xiǎn)，工業(yè)機(jī)器人顯然極其重要，對于降低成本是有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義的。工業(yè)機(jī)器人的外觀如圖1 所示，由圖1 可以看出，其基本結(jié)構(gòu)大多類似機(jī)械臂，可以適用于各類工業(yè)場合。

圖1 工業(yè)機(jī)器人外觀圖

另外一方面，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上可以24 h進(jìn)行工作，不知疲憊地進(jìn)行投料生產(chǎn)等。相對于人工生產(chǎn)而言，工業(yè)機(jī)器人的效率更高，質(zhì)量也更高。在相關(guān)行業(yè)當(dāng)中，能夠發(fā)揮出一定的作用。當(dāng)然最重要的還是工業(yè)機(jī)器人的安全性能比較高一些，適用于危險(xiǎn)程度較高、且存在安全隱患的工種以及具體任務(wù)的執(zhí)行，這些工作單純依靠人力是無法完成的。不僅會(huì)給人們的生命安全造成威脅，同時(shí)也會(huì)留下很多安全隱患，不利于流水線上的生產(chǎn)。使用工業(yè)機(jī)器人可以大幅度減免問題的發(fā)生，也能夠有效地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，對于提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，推動(dòng)流水線生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展是有一定幫助的。在具體設(shè)計(jì)的過程中，研究工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的必要性主要在于控制系統(tǒng)是整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的核心。通過良好的控制策略實(shí)現(xiàn)軟硬件相互結(jié)合，是保證工業(yè)機(jī)器人正常使用并投入生產(chǎn)中的重要途徑?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)需要對算法進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也需要通過軟硬件相互結(jié)合，利用通信知識、控制知識、人工智能知識來解決實(shí)際問題。因此對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究，對設(shè)計(jì)更好的控制系統(tǒng)是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義的。

1.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)存在的問題

目前來看，在工業(yè)機(jī)器人使用的過程中還存在著若干問題，主要矛盾在于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在問題。首先從算法角度進(jìn)行分析，也可以稱之為從軟件角度進(jìn)行分析。目前的控制系統(tǒng)主要算法是PID 控制算法。PID 控制算法由于比較簡單容易調(diào)節(jié)，在使用的過程中僅需調(diào)解比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)就可以得到控制的作用。不需要對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的建模，同時(shí)也不需要進(jìn)行過多的參數(shù)調(diào)節(jié)。相對于其他的控制策略而言比較簡單，這也是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一個(gè)控制算法。但是不可否認(rèn)的是，PID 控制算法由于滯后性比較強(qiáng)，在使用的過程中可能會(huì)無法達(dá)到精準(zhǔn)控制的作用。在一些精準(zhǔn)性要求較高的場合，PID 控制算法難以發(fā)揮出實(shí)際的作用，這也就給工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很多的矛盾。而隨著相關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展，魯棒控制策略、預(yù)測控制策略、LQR 控制等也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中。對于不同要求有著不同的算法使用方案，但是以上幾種控制算法相對于傳統(tǒng)的PID 控制算法而言，相對來說較為復(fù)雜，需要對系統(tǒng)本身進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，同時(shí)也需要進(jìn)行大量的參數(shù)調(diào)節(jié)，對于工作人員而言是有著一定的難度的，對于工業(yè)機(jī)器人的正常應(yīng)用也是帶來了一系列影響。由此可以看出，目前在算法上還存在著一定的矛盾，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在著諸多問題。而從硬件角度進(jìn)行分析，工業(yè)機(jī)器人對于硬件要求是比較高的。一方面是穩(wěn)定程度比較高，另外一方面是精度比較高。由于工業(yè)生產(chǎn)所面臨的情況比較復(fù)雜，很多設(shè)備都無法正常使用。在外界干擾的情況下，出現(xiàn)了精度低、效率低且穩(wěn)定程度不好等現(xiàn)象。不僅帶來了嚴(yán)重的成本問題，同時(shí)也給生產(chǎn)效率造成了嚴(yán)重的影響。因此在未來發(fā)展的過程中，對于軟件硬件等方面問題還需要進(jìn)行深入探索，并提出科學(xué)的解決方案，讓工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更加合理。

1.3 加強(qiáng)與重點(diǎn)企業(yè)的交流與合作

目前在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，其實(shí)還是存在著一些問題的。主要原因在于理論界和工業(yè)界存在著較大的差距，理論無法更好地應(yīng)用，而工業(yè)界往往為了追求穩(wěn)定性與魯棒性，大多數(shù)時(shí)候都會(huì)選擇傳統(tǒng)的控制算法。先進(jìn)的算法無法落地，沒有辦法給工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)帶來一定的幫助，使得工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展受到了嚴(yán)重的限制。因此從目前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域當(dāng)中可以看出，其基本的方向又或者是基本的內(nèi)容還是要加強(qiáng)和重點(diǎn)企業(yè)交流與合作。一般來講，學(xué)校有大量的研究者對算法進(jìn)行研究優(yōu)化，并對理論進(jìn)行創(chuàng)新。而企業(yè)則是將相關(guān)的算法以及理論進(jìn)行更好的落地，并通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案使其應(yīng)用在各種各樣的場合當(dāng)中。尤其是在生產(chǎn)線上大量地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，可以降低人力成本，同時(shí)也能夠縮短工作時(shí)間，對于提高產(chǎn)品的核心競爭力有著一定的幫助。因此研究機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)和重點(diǎn)企業(yè)的交流合作，一方面是讓更多的理論和實(shí)踐相互結(jié)合，另外一方面是從實(shí)踐當(dāng)中反饋更多的數(shù)據(jù)信息。對于工業(yè)界目前的實(shí)際難題以及可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，反饋給相關(guān)的理論研究學(xué)者。對于其繼續(xù)研究工作能夠提供相應(yīng)的幫助，也能夠積累更多的經(jīng)驗(yàn)，這對于促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究有著很大的幫助。

2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究路徑

2.1 優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人軟、硬件及程序設(shè)計(jì)

在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)生產(chǎn)的過程中，軟件的更新和硬件的設(shè)計(jì)都是十分重要的環(huán)節(jié)。軟件和硬件相互配合保障其穩(wěn)定性和精度，是促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人快速發(fā)展的一個(gè)重要途徑。因此在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研究的過程中，首先應(yīng)當(dāng)對算法進(jìn)行充分的分析。傳統(tǒng)的PID算法固然能夠適應(yīng)于大多數(shù)的場合，但是隨著控制精度要求越來越高，社會(huì)生產(chǎn)的復(fù)雜程度越來越高，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制算法也就不再適合一些高精度的場合。PID 控制算法流程如圖2 所示，只需調(diào)節(jié)P、I、D 3個(gè)參數(shù)，不需要復(fù)雜的系統(tǒng)建模，相對較為簡單，但是控制精度一般，滯后性也較為明顯。研究更多性能更好的算法，并將其應(yīng)用在實(shí)際場景當(dāng)中，對于工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展是具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義的。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)的過程中，多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人采用PLC 進(jìn)行程序編寫，由于PLC 代碼比較簡潔，相對來說門檻比較低，對于大多數(shù)的工程技術(shù)人員而言，進(jìn)行設(shè)計(jì)也是比較容易的。但單純地依靠PLC 還不能完全解決實(shí)際問題，在一些高尖端的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)過程中，還需要采用高級語言來進(jìn)行編寫，如C++。因此在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中一方面提高算法精度，另外一方面對具體的軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更新，也具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。在硬件使用的過程中，多數(shù)工業(yè)機(jī)器人對于硬件的穩(wěn)定性要求比較高，需要能抵抗外界干擾，即使是在惡劣的工廠條件下依然能夠長期地進(jìn)行工作。因此在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)的過程中，需要考慮到穩(wěn)定性的問題以及精度的問題。

圖2 PID 控制算法流程圖

2.2 提升工業(yè)機(jī)器人投料裝置與自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)合程度

提升工業(yè)機(jī)器人投料裝置與自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)合程度，是未來的一個(gè)主流發(fā)展趨勢。由于工業(yè)機(jī)器人在目前自動(dòng)化生產(chǎn)線上的主要應(yīng)用場景是投料，而投料也是需要24 h 進(jìn)行工作，才能夠保障其長期生產(chǎn)。但是由于很多工業(yè)機(jī)器人的投料裝置無論是在軟件設(shè)計(jì)還是硬件設(shè)計(jì)的過程中，都不符合實(shí)際情況。只能夠適用于某些特定的場景，在一些自動(dòng)化生產(chǎn)線上結(jié)合程度不高，沒有辦法發(fā)揮作用，反而產(chǎn)生了若干的不穩(wěn)定性問題。因此在未來的發(fā)展過程中，優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，并將其投料裝置應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，不斷的進(jìn)行調(diào)整。和自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)合力度越強(qiáng)，也能夠保證自身的精度越高，才能夠適用于更多復(fù)雜的場景，以此來發(fā)揮出相應(yīng)的作用。工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)流水線如圖3 所示，可以實(shí)現(xiàn)無人化24 h 生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)效率。

圖3 無人化工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)流水線

2.3 通過不斷實(shí)踐提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的精確度

在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，很多高校對于機(jī)器人的控制算法控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度都比較高。但是只適用一些特定的場合，在具體應(yīng)用的過程中可能存在不適應(yīng)的情況。尤其是目前理論界和工業(yè)界存在著較大的鴻溝，使得很多算法沒有辦法落地，工業(yè)界所使用的一些工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)方式以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案大多數(shù)都沒有辦法進(jìn)行更新。為了保證自身的穩(wěn)定，需要犧牲精度，犧牲其自身的性能，這就使得工業(yè)界的發(fā)展相對落后。在未來工作的過程當(dāng)中，為了保證工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更加合理，讓投料裝置在自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到更好的應(yīng)用。不斷的實(shí)踐，不斷地提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的精度，是具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義的?？刂凭鹊奶岣咭环矫嬉ＷC硬件的性能比較好，需要提高總體水平。另外一方面需要從算法出發(fā)，對控制策略進(jìn)行不斷的改進(jìn)。算法的穩(wěn)定性要強(qiáng)，還需要對算法的參數(shù)進(jìn)行大量的調(diào)節(jié)工作，需要根據(jù)實(shí)踐來反饋相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)行調(diào)優(yōu)工作。依靠工作人員的大量經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，才能夠提高工業(yè)機(jī)器人的控制精度。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的智能化控制方法以及智能化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不斷涌現(xiàn)，通過人工智能算法，也可以進(jìn)行自動(dòng)的參數(shù)調(diào)優(yōu)。采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的建模工作，在后續(xù)的研究過程中，可以利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練和測試等工作，以此來不斷調(diào)優(yōu)算法，提高工業(yè)機(jī)器人的控制精度。因此在未來發(fā)展的過程中，通過不斷結(jié)合新的技術(shù)，讓理論和實(shí)踐不斷的發(fā)展，以此來提高工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的精度，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)束語

總而言之，工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用是推進(jìn)生產(chǎn)快速發(fā)展的重要途徑。但是在目前的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還存在精度不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)的問題。在未來發(fā)展的過程中，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，更新硬件，并和行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)，不斷地提高工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用水平。